《光纤传感器》PPT课件
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的 光或被其反射、散射的光。
光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器
返回
上一页
第十七页，共3下3页一。 页
强度调制与解调
利用被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对 象进行检测的方式。光强度变化可以直接用光电探测 器进行检测， 结构简单、容易实现、成本低。 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响
第三十三页，共33页。
传输光纤 出射光纤
标志孔
电路板标志检测
当光纤发出 的光穿过标志孔时， 若无反射，说明电 路板方向放置正确。
第三十页，共33页。
光纤式光电开关应用
遮断型光纤 光电开关
第三十一页，共33页。
光纤式光电开关应用
第三十二页，共33页。
采用遮断 型光纤光电
开关对IC 芯 片引脚进行 检测
内容总结
光纤传感器。r为光纤半径，λ为光波波长。光纤传感器一般可分为两大类：功能型FF和非功 能型NF。功能型FF:利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件。优点：无需特殊光纤及其他特 殊技术，。利用被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方式。便于与 计算机和光纤传输系统相连 ，易于实现系统的遥测和控制。阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各 点均匀一致，称为多模光纤。与光纤耦合的电光与光电转换器件
光纤传感器
一、 光纤传感器基础
二、 光调制与解调技术
三、 光纤传感器实例
返回
上一页
第一页，共33下页。一页
第二页，共33页。
第三页，共33页。
一、 光纤传感器基础
9.1.1 光纤波导原理
光纤波导简称光纤，是用透光率高的电介质(石英、玻 璃、塑料等)构成的光通路。
由大圆 于柱 包形 层内 的芯 折和射包率n层2。组成，而且内芯的折射率n1略 通常直径为几微米到几百微米
可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。
返回
上一页
第二十页，共3下3页一。 页
三、光纤传感器的特点
灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可桡性、可 实现不带电的全光型探头
频带宽动态范围大 可用很相近的技术基础构成测不同物理量的传感器
便于与计算机和光纤传输系统相连 ，易于实现系统的遥 测和控制
可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境
返回
上一页
第十五页，共3下3页一。 页
(b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器
光纤在其中仅起导光作用，光照在非光纤型敏感 元件上受被测量调制。 无需特殊光纤及其他特殊技术，
比较容易实现，成本低。
灵敏度较低。 实用化的大都是非功能型的光纤传感器。
返回
上一页
第十六页，共3下3页一。 页
(c) 拾光型光纤传感器
感器。
第十三页，共33页。
a类：功能型 FF
b类：非功能 型NF
C类：拾光型 NF
返回
上一页
下一页 第十四页，共33页。
(a) 功能型（全光纤型）光纤传感器
光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是 敏感元件，光在光纤内受被测量调制。 结构紧凑、灵敏度高。 须用特殊光纤，成本高， ：光纤陀螺、光纤水听器等。
第四页，共33页。
涂覆层 包层 纤芯
护套
第五页，共33页。
当一束光线以一定的入射角θ1从介质1射到与介质2的 分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能 量则透过分界面，在另一介质内继续传播。
第六页，共33页。
光纤导光
n0 sini n1 sin j n1 sin k n2 sin r
结构简单、体积小、重量轻、耗能少
磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、 转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。
返回
上一页
第二十一页，共33页。下一页
光缆的外形
第二十二页，共33页。
光纤的类型
阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均 匀一致，称为多模光纤。
第二十三页，共33页。
梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即
返回
上一页
第七页，共3下3页。一页
第八页，共33页。
光的全反射实验
第九页，共33页。
光纤按折射率变化类型分类
按纤芯到包层折射率变化： 阶跃折射率光纤 渐变折射率光纤
第十页，共33页。
光纤模式
光纤模式:光波沿光导纤维传播的途径和方式。 以不同角度入射的光线在(n1和n2)界面上的反射次数是
管或激光二极管。
第二十六页，共33页。
激光二极管的外形
激光二极管芯片
第二十七页，共33页。
专用的光纤连接头及光纤插座
光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴 心必须严格对准并固定，可使用专用的连接 头及光纤插座来完成。
第二十八页，共33页。
光纤液位传感器
第二十九页，共33页。
光纤式光电开关应用
光纤 耦合器
返回
上一页
第十八页，共3下3页一。 页
3. 光强度的外调制
发送光纤
光纤
反射型 探头
接收光纤
遮断型
发送光纤
接收光纤
第十九页，共33页。
二、 偏振调制与解调
利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息
电流、磁场传感器：法拉第效应；
电场、电压传感器：泡尔效应；
压力、振动或声传感器：光弹效应；
温度、压力、振动传感器：双折射性
在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯 区的边沿时，降低到与包层区一样。
第二十四页，共33页。
单孔型光纤
单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）接近于 被传输光波的波长，光以电磁场“模”的原理在纤芯
中传导，能量损失很小，适宜于远距离传输。
第二十五页，共33页。
与光纤耦合的电光与光电转换器件
实现电光转换的元件通常是发光二极
第十二页，共33页。
光纤传感器是通过对光纤内传输的光进行调制，使
传光
等特性发生变化，再
通过对被调制的光信号进行检测，从而得出相应被测量
的传感器。
光纤传感器一般可分为两大类
:利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元
件。所以也称传感型光纤传感器，或全光纤传感器。
利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅
做为光的传输介质 所以也称为传光型传感器．或混合型传
不同的。
光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向 传播的两种平面波成分。后者在纤芯和包层的界面上会 产生全反射。当它在横向往返一次的相位变化为2π的整 数倍时，将形成驻波。形成驻波的光线组称为模。
在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不利的，导 致合成信号的畸变，因此我们希望模式数量较少为好。
返回
上一页
第十一页，共3下3页一。 页
光纤内光传播的模式数量用归一化频率ν表示为
2r NA/
r为光纤半径，λ为光波波长。 希望ν小则r不能太大，且n2与n1之差要小
光纤传输模的总数:
N 2 2
N 2 4
阶跃型 渐变型
单模光纤：V<2.405
普通单模光纤：n1-n2/n1~310-3 r=2~4m 多模光纤：r=25~60m 包层半径b125 m
光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器
返回
上一页
第十七页，共3下3页一。 页
强度调制与解调
利用被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对 象进行检测的方式。光强度变化可以直接用光电探测 器进行检测， 结构简单、容易实现、成本低。 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响
第三十三页，共33页。
传输光纤 出射光纤
标志孔
电路板标志检测
当光纤发出 的光穿过标志孔时， 若无反射，说明电 路板方向放置正确。
第三十页，共33页。
光纤式光电开关应用
遮断型光纤 光电开关
第三十一页，共33页。
光纤式光电开关应用
第三十二页，共33页。
采用遮断 型光纤光电
开关对IC 芯 片引脚进行 检测
内容总结
光纤传感器。r为光纤半径，λ为光波波长。光纤传感器一般可分为两大类：功能型FF和非功 能型NF。功能型FF:利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件。优点：无需特殊光纤及其他特 殊技术，。利用被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方式。便于与 计算机和光纤传输系统相连 ，易于实现系统的遥测和控制。阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各 点均匀一致，称为多模光纤。与光纤耦合的电光与光电转换器件
光纤传感器
一、 光纤传感器基础
二、 光调制与解调技术
三、 光纤传感器实例
返回
上一页
第一页，共33下页。一页
第二页，共33页。
第三页，共33页。
一、 光纤传感器基础
9.1.1 光纤波导原理
光纤波导简称光纤，是用透光率高的电介质(石英、玻 璃、塑料等)构成的光通路。
由大圆 于柱 包形 层内 的芯 折和射包率n层2。组成，而且内芯的折射率n1略 通常直径为几微米到几百微米
可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。
返回
上一页
第二十页，共3下3页一。 页
三、光纤传感器的特点
灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可桡性、可 实现不带电的全光型探头
频带宽动态范围大 可用很相近的技术基础构成测不同物理量的传感器
便于与计算机和光纤传输系统相连 ，易于实现系统的遥 测和控制
可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境
返回
上一页
第十五页，共3下3页一。 页
(b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器
光纤在其中仅起导光作用，光照在非光纤型敏感 元件上受被测量调制。 无需特殊光纤及其他特殊技术，
比较容易实现，成本低。
灵敏度较低。 实用化的大都是非功能型的光纤传感器。
返回
上一页
第十六页，共3下3页一。 页
(c) 拾光型光纤传感器
感器。
第十三页，共33页。
a类：功能型 FF
b类：非功能 型NF
C类：拾光型 NF
返回
上一页
下一页 第十四页，共33页。
(a) 功能型（全光纤型）光纤传感器
光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是 敏感元件，光在光纤内受被测量调制。 结构紧凑、灵敏度高。 须用特殊光纤，成本高， ：光纤陀螺、光纤水听器等。
第四页，共33页。
涂覆层 包层 纤芯
护套
第五页，共33页。
当一束光线以一定的入射角θ1从介质1射到与介质2的 分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能 量则透过分界面，在另一介质内继续传播。
第六页，共33页。
光纤导光
n0 sini n1 sin j n1 sin k n2 sin r
结构简单、体积小、重量轻、耗能少
磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、 转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。
返回
上一页
第二十一页，共33页。下一页
光缆的外形
第二十二页，共33页。
光纤的类型
阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均 匀一致，称为多模光纤。
第二十三页，共33页。
梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即
返回
上一页
第七页，共3下3页。一页
第八页，共33页。
光的全反射实验
第九页，共33页。
光纤按折射率变化类型分类
按纤芯到包层折射率变化： 阶跃折射率光纤 渐变折射率光纤
第十页，共33页。
光纤模式
光纤模式:光波沿光导纤维传播的途径和方式。 以不同角度入射的光线在(n1和n2)界面上的反射次数是
管或激光二极管。
第二十六页，共33页。
激光二极管的外形
激光二极管芯片
第二十七页，共33页。
专用的光纤连接头及光纤插座
光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴 心必须严格对准并固定，可使用专用的连接 头及光纤插座来完成。
第二十八页，共33页。
光纤液位传感器
第二十九页，共33页。
光纤式光电开关应用
光纤 耦合器
返回
上一页
第十八页，共3下3页一。 页
3. 光强度的外调制
发送光纤
光纤
反射型 探头
接收光纤
遮断型
发送光纤
接收光纤
第十九页，共33页。
二、 偏振调制与解调
利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息
电流、磁场传感器：法拉第效应；
电场、电压传感器：泡尔效应；
压力、振动或声传感器：光弹效应；
温度、压力、振动传感器：双折射性
在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯 区的边沿时，降低到与包层区一样。
第二十四页，共33页。
单孔型光纤
单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）接近于 被传输光波的波长，光以电磁场“模”的原理在纤芯
中传导，能量损失很小，适宜于远距离传输。
第二十五页，共33页。
与光纤耦合的电光与光电转换器件
实现电光转换的元件通常是发光二极
第十二页，共33页。
光纤传感器是通过对光纤内传输的光进行调制，使
传光
等特性发生变化，再
通过对被调制的光信号进行检测，从而得出相应被测量
的传感器。
光纤传感器一般可分为两大类
:利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元
件。所以也称传感型光纤传感器，或全光纤传感器。
利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅
做为光的传输介质 所以也称为传光型传感器．或混合型传
不同的。
光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向 传播的两种平面波成分。后者在纤芯和包层的界面上会 产生全反射。当它在横向往返一次的相位变化为2π的整 数倍时，将形成驻波。形成驻波的光线组称为模。
在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不利的，导 致合成信号的畸变，因此我们希望模式数量较少为好。
返回
上一页
第十一页，共3下3页一。 页
光纤内光传播的模式数量用归一化频率ν表示为
2r NA/
r为光纤半径，λ为光波波长。 希望ν小则r不能太大，且n2与n1之差要小
光纤传输模的总数:
N 2 2
N 2 4
阶跃型 渐变型
单模光纤：V<2.405
普通单模光纤：n1-n2/n1~310-3 r=2~4m 多模光纤：r=25~60m 包层半径b125 m