光纤传感器及其应用.ppt

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1、光纤传感器及其应用姓名：光纤传感器光纤基础知识光纤传感器的分类光纤传感器电类传感器的比较光纤制作工艺光纤传感器的应用光纤传感器光纤——光导纤维，是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介质材料制成的极细的纤维，是一种理想的光传输线路。光纤传感器（FiberOpticSensor，FOS）兴起于20世纪70年代，是一类较新的光敏器件，它是利用被测量对光纤内传输的光波进行调制，使光波的一些参数，如强度、频率、波长、相位、偏振态等特性产生变化来工作。可以测量位移、加速度、压力、温度、磁、声、电等物理量。光纤结构光纤通常由纤芯、包层、保护套及组成。纤芯是由玻璃、石英或塑料等材料制

2、成的圆柱体，直径约为5～150μm。包层的材料也是玻璃或塑料等，直径为100－200um。但纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2。保护套起保护光纤的作用。较长的光纤又称为光缆。纤芯包层涂覆层保护套光纤的传光原理斯奈尔定理：（a）折射角大于入射角：（b）临界状态：（c）全反射：在光纤中,光的传输限制在光纤中,并随光纤能传送到很远的距离,光纤的传输是基于光的全内反射。入射角的最大值为：光纤的传光原理数值孔径NA将sinθ0定义为光导纤维的数值孔径,用NA表示,则：NA意义：NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2θ0张角之内的入射光才能被光纤接收、传

3、播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA。1、按折射率变化类型分类（1）阶跃型：纤芯与包层之间的折射率是突变的；（2）渐变型：纤芯在横截面中心处折射率最大，并由中心向外逐渐变小，到纤芯边界时减小为包层折射率。这类光纤有自聚焦作用，也称自聚焦光纤。光纤的分类2、按照传输模式分类（1）单模光纤：纤芯直径很小，接受角小，传输模式很少。这类光纤传输性能好，频带宽，具有很好的线性和灵敏度，但制造困难。单模光纤原则上只能传送一种模数的光。（2）

4、多模光纤：纤芯尺寸较大，传输模式多，容易制造，但性能较差，带宽较窄。多模光纤允许多个模数的光在光纤中同时传播。光纤的分类光波可分解为沿轴向和沿截面径向传播的两种平面波成分。沿截面径向传播的光波在纤芯与包层的界面上产生全反射，因此当它在径向每一次往返传输的相位变化是2π的整数倍时，就在截面内形成驻波。这种驻波光线组又称为“模”。某一种光纤只能形成特定数目的“模”式来传输光波，传播速度最快的模式称为基模或主模。纤芯直径越大，传播模式越多。传播模式对信号的影响nr多模梯度光纤n2n1多模阶跃光纤n2n1单模梯度光纤本征：是光纤的固有损耗，包括散射，固有吸收等。挤压：光纤受

5、到挤压产生微小的弯曲而造成的损耗。杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴(单模光纤同轴度要求小于0.8μm)，端面与轴心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。光纤的传输损耗传输损耗：光信号通过光纤传播时，因某种原因造成的光能量衰减，单位dB/km。造成光纤衰减的主要因素有：光纤传感器是基于光导纤维的新型传感器。光纤传感器除光纤外还应包括光源、传感头、光探测器和信号处理电路等几部分。光纤传感器的基本组成按照光纤在传感器中的作用，通常将光纤传感器分为两种类型：非功

6、能型（或称传光型、结构型）和功能型（或称传感型、探测型）。光纤传感器的分类非功能型光纤传感器：利用其它敏感元件感受被测量，光纤仅作为传输介质，依靠光传输或光反射引起的强度调制来工作；光纤是不连续的,中断处要接上其他介质的敏感元件；多使用多模光纤。功能型光纤传感器：把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输光的强度、相位、偏振态等进行调制，再通过解调得到被测信号；常使用单模光纤。光纤传感器的核心就是光被外界输入参数的调制。外界信号可能引起光的某些特性(如强度、波长、频率、相位、偏振态等)变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态等调制器。根据光被调制的原理，光纤传感器分

7、为：强度调制型、频率调制型、波长调制型、相位调制型及偏振态调制型。光纤传感器的分类待测物理量引起光纤中的传输光强变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量。1、光强调制型光纤传感器光源强度为Ii→传感头→被测信号的作用使强度发生变化(受到了外场的调制)→输出光强I0的包络线与被测信号的形状一样→信号处理电路再检测出调制信号，就得到了被测信号。在频率调制型光纤传感器中，光纤只起着传输光的作用，它的工作原理是光学多普勒效应，即由于观察者和目标的相对运动，观察者接收到的光波频率将发生变化。采用光学多普勒测量系统，可以方便的实现在非接触条件下对液体流速流量的测量，如血液