光纤传感技术

光纤传感技术 2
张学典 Email:zhangxuedian@ 上海理工大学光电学院
上节课内容
1. 概述 2. 光纤光学基本原理— 光的全反射 3. 光纤的结构——纤芯、包层、涂敷层、护套 4. 光纤重要参数—— 5. 光纤的损耗——吸收、散射、辐射
本节内容
1. 光纤传感器基本原理 2. 光纤传感器分类 3. 主要应用领域 4. 关键技术 5. 小结
光纤的分类
按用途类型分类 ﹡通信用光纤； ﹡非通信用光纤； ﹡特种光纤。 按折射率变化类型分类 按纤芯到包层折射率变化可分为阶跃折射率光纤 （a）和渐变折射率光纤（b）。
按传播模式种类分类 多模光纤
（光纤中允许两个或更多的模式 传播） （常用标识： 50/125、62.5/125） （通信用标准多模光纤芯径为50 µm，包层直径为125 µm，涂层 直径245 µm 。国际电报电话咨 询委员会推荐多模光纤的芯-包半 径比为0.4）
发射光纤与接收光纤的四种分布
光缆的种类很 多，以上是两 种光缆的断面 结构示意图
水下光缆的敷设
地下光缆的
架空光缆的施工
一个典型位移－输出曲线如图所示。在位移-输出曲 线的前坡区，输出信号的强度增加得非常快,这一区域 可以用来进行微米级的位移测量。在后坡区，信号的 减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比，可 用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测 量。
单模光纤
(只允许一个模式传播的光纤) （常用标识：9/125） （通信用标准单模光纤芯径为9 µm，包层直径为125 µm，涂层 直径245 µm 。）
常用光纤的尺寸
· · · · · · · · 50/125 graded index MM fiber (NA=0.20) 62.5/125 graded index MM fiber (NA=0.275) 100/140 graded index MM fiber (NA=0.29) 200/230 step index MM fiber (NA=0.37) 200/280 step index MM fiber (NA=0.24) SMF-28 SM fiber (9-10µm core) Payout SM fiber (6-7µm core) 1300/1550nm PANDA PM fiber
光纤传感器的主要应用领域
军事传感器 光纤制导武器、光纤陀螺、光纤水听器、光纤加 速度计、光纤压力传感器、光纤灵巧蒙皮、光 纤战地化学传感器。 智能系统 光纤机器人、智能制造与柔性加工、电力继电 保护与火灾报警、发动机内部故障诊断、智能 大厦 医用传感器 胃镜、神经修复、外科手术监测。
光纤传感器的关键技术
2. 反射式光纤位移传感器
光纤位移传感器的结构
反射式光纤位移传感器的工作原理是：根 据被测目标表面光反射至接收光纤（束）的光 强度变化来测量被测表面距离的变化。所使用 光纤束的特性是影响这种类型光纤传感器的灵 敏度的主要因素之一。一般在光纤探头的端部, 发射光纤与接收光纤有以下四种分布： (a)随机分布； (b)半球形对开分布； (c)共轴内发射分布； (d)共轴外发射分布。 具体结构如下图所示。
小结
光纤的结构以及光在光纤中的传播原理 光纤的分类 光纤传感器的原理和分类
思考题： 多模光纤和单模光纤的区别？
二、强度调制光纤传感器
1. 光纤微弯传感器
引起光纤产生微弯的变形器
光纤微弯传感器是利用光纤的微弯损耗 光纤的微弯损耗 来检测外界物理量的变化。 一根多模光纤从一对机械变形器中间通 过。当变形器受到压力作用时，光纤沿轴 线产生周期性微弯曲。光纤的弯曲会引起 光纤中的传导模与辐射模之间产生耦合， 从而使一部分导模泄漏到包层中去。通过 检测纤芯中的传导光功率，就能测量出与 之成一定关系的压力的大小。
按材料分类 高纯度石英玻璃纤维：光损耗比较小， 不易于耦合。 多组分玻璃光纤：由常规玻璃制成，损 耗也很低。 塑料光纤：由导光塑料制成，其损耗大， 但重量轻，成本低，柔软性好，易于耦 合。
光纤传感基本原理
一、光纤传感器结构原理和分类
本节内容
1. 光纤传感器基本原理 2. 光纤传感器分类 3. 主要应用领域 4. 关键技术 5. 小结
位移-输出信号曲线3. 来自射式光纤压力传感器4. 半导体吸收式光纤传感器
半导体吸收式光纤传感器
作业
作业题目: ***光纤传感器的简介（或相关 综述） 要求: 已有的或者自己设计的概念光纤传感 器，内容包括，功能说明，工作原理，结 构介绍，优缺点. 10ptt,讲述10分钟，回答问 题5分钟。 一组4-5人，一周一组，可以多人演讲，也 可以1人主讲，但必须共同回答其他组同学 提出的问题。 每一位同学必须提问一个问题