光纤传感技术基本原理课件
合集下载
光纤传感原理与应用 尚盈 电子课件 第一章：光纤技术基础
1.1 光纤的结构与分类
1.1.2 光纤的分类
光纤的分类、、、以及进行分类。
按光纤横截面上的折射率分布
按光纤的传输总模数
光纤的分类
按构成光纤的材料成分
按光纤制造方法
按工作波长
1.1 光纤的结构与分类
1.1.2.1 按照光纤横截面上的折射率分布分类
根据光纤横截面上折射率的径向分布，光纤可以分为均匀光纤(也称阶跃型光纤或突变型光纤)和非
纤和多模非均匀光纤。多模均匀光纤的纤芯直径一般为50~75m，包层直径为100~200m由于其纤芯直
径较大，传输模式较多，因此这种光纤的传输性能较差，带宽比较窄，传输容量小。多模非均匀光纤的
纤芯直径一般也为50~75m，但由于纤芯中折射率随半径的增加而减小，因而可获得比较小的模式色散。
这种光纤频带较宽，容量较大。一般多模光纤指的就是这种多模非均匀光纤。
1.1 光纤的结构与分类
1.1.2.3 按制造光纤所使用的材料分类
光波在光纤中传播时存在模式问题。所谓模式是指传输线横向截面和纵向截面上的电磁场的分布形
式。模式不同，其分布也不同。根据光纤中传输模式的多少，可分为单模光纤和多模光纤两类。
1.石英光纤
这种光纤的纤芯和包层均由高纯度的i2 经掺有适当的杂质制成。其损耗低，强度及可靠性高，适
1.单模光纤
单模光纤理论上只传输一种模式，即基模(最低阶模式)。它的纤芯直径很小，通常在4～10m范围
光纤传感原理与技术
信号处理
电源 导线
信号接收
敏感元件
图1 传统传感器
信号处理
光发送器
光纤 光接收器
敏感元件
图2 光纤传感器
光纤理论与技术
第十章：克服困难中带来的副产品——光纤传感原理与技术
可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本 质的差别。传统传感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为 基础。
是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生 变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多 普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用 物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污 染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。
光纤理论与技术
第十章：克服困难中带来的副产品——光纤传感原理与技术
第十章：克服困难中带来的副产品——光纤传感原理与技术
第十章 光纤传感原理与技术
§10.1 光纤传感原理回顾 §10.2 几种主要的光纤传感器
§10.2.1光纤陀螺 §10.2.2光纤水听器 §10.2.3白光干涉型光纤应变传感器 §10.2.4光纤光栅传感器
§10.3光纤传感器的应用
光纤理论与技术
第十章：克服困难中带来的副产品——光纤传感原理与技术
光纤理论与技术
第十章：克服困难中带来的副产品——光纤传感原理与技术
《分布式光纤传感器》课件
开发新型分布式光纤传感器技术
新材料
探索新型的光纤材料和光学器件，以 提高分布式光纤传感器的性能和功能 。
新原理
研究新的分布式光纤传感原理和技术 ，以拓展其应用领域和解决现有技术 的局限性。
05
结论
Chapter
分布式光纤传感器的重要性和应用前景
分布式光纤传感器在长距离、大范围监测中具 有明显优势，可广泛应用于石油、天然气、电 力等行业的安全监测和预警系统。
测量范围
扩展分布式光纤传感器的测量范围， 使其能够覆盖更长的距离和更广泛的 应用场景，例如长距离管道监测和大 型结构健康监测。
降低成本和提高可靠性
降低成本
通过优化制造工艺和降低材料成本，降低分布式光纤传感器 的制造成本，使其更具市场竞争力。
提高可靠性
加强分布式光纤传感器的稳定性和耐久性，提高其长期使用 的可靠性和寿命，减少维护和更换成本。
随着技术的不断进步和应用需求的增加，分布 式光纤传感器的性能和可靠性将得到进一步提 升，应用领域也将不断拓展。
分布式光纤传感器在物联网、智慧城市等领域 具有广阔的应用前景，将为城市管理和公共安 全提供有力支持。
需要进一步研究和解决的问题
分布式光纤传感器的信号处理和数据解析技术需要进一步研究和改进，以提高监测 精度和可靠性。
利用算法对解调后的信号进行进 一步处理，提取出待测物理量的 相关信息，如温度、压力、振动 等。
光纤传感技术PPT讲稿
只有反射，形
成光的全反射
现象，如右图
所示。
入射光 θ1 θ1> θc
折射率 n2 折射率 n1
全反射光
图7-3 （c） 光线入射角大于临界角
外反射：
n1 n2
n2
ic
n1
内反射，全内反射：
n1 n2
n2
入射角大 于临界角 的光线发 生全反射
ic
n1
阶跃型多模光纤的传光原理
n0
2θ0 θ0
B
光线（子午光线）呈锯齿形轨迹
传播。 2020年6月28日
阶跃
剖面 n(r)
n1
纤芯
n2
a
r
阶跃折射率光纤 4
wenku.baidu.com
右图所示为梯度型光纤，纤
芯的折射率n1不是常数，从 中心轴线开始沿径向大致按 抛物线规律逐渐减小。因此 光在传播中会自动地从折射 率小的界面处向中心会聚。 光线偏离中心轴线越远，则 传播路程越长。传播的轨迹 类似正弦波曲线。这种光纤 又称自聚焦光纤。 右下图所示为经过轴线的子 午光线传播的轨迹。
当逐渐加大入射角
θ1，一直到θc，折 射光就会沿着界面传
折射率 n2
θ2
播，此时如右图所示 折射率 n1
折射角θ1＝90o。这 时，入射角θ1＝ θc， θc称为临界角，由 下式决定：
成光的全反射
现象，如右图
所示。
入射光 θ1 θ1> θc
折射率 n2 折射率 n1
全反射光
图7-3 （c） 光线入射角大于临界角
外反射：
n1 n2
n2
ic
n1
内反射，全内反射：
n1 n2
n2
入射角大 于临界角 的光线发 生全反射
ic
n1
阶跃型多模光纤的传光原理
n0
2θ0 θ0
B
光线（子午光线）呈锯齿形轨迹
传播。 2020年6月28日
阶跃
剖面 n(r)
n1
纤芯
n2
a
r
阶跃折射率光纤 4
wenku.baidu.com
右图所示为梯度型光纤，纤
芯的折射率n1不是常数，从 中心轴线开始沿径向大致按 抛物线规律逐渐减小。因此 光在传播中会自动地从折射 率小的界面处向中心会聚。 光线偏离中心轴线越远，则 传播路程越长。传播的轨迹 类似正弦波曲线。这种光纤 又称自聚焦光纤。 右下图所示为经过轴线的子 午光线传播的轨迹。
当逐渐加大入射角
θ1，一直到θc，折 射光就会沿着界面传
折射率 n2
θ2
播，此时如右图所示 折射率 n1
折射角θ1＝90o。这 时，入射角θ1＝ θc， θc称为临界角，由 下式决定：
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
4、波长调制型光纤传感器技术
4.2 光纤黑体辐射探测技术-黑体辐射式光纤温度计
黑体是指能完全吸收入射辐射，并具有最大发射率的物体。绝对黑体是不存 在的，所有的物质受热时均发出一定量的热辐射，这种热辐射的量取决于该物质 的温度及其材料的辐射系数。对于理想黑体，辐射源发射的光谱能量可用普朗克 (Planck)公式表述如下：
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪
（2）马赫曾德（MachZehnder）光纤干涉仪
固定 反射镜
LD
分光镜2
光探测器
可移动 反射镜
LD
S(t)
PD1
DC1
DC2
信号处理
分光镜1
PD2
图420马赫—曾德干涉仪原理图
光纤干涉仪与普通的光学干涉仪相比，优点在于： （1）容易准直； （2）可以通过增加光纤长度来增加光程，以提高干涉仪的灵敏度； （3）封闭式的光路，不受外界干扰； （4）测量的动态范围大。
这种传感原理可以用于纳米级别的位 移测量和光谱分析，以及高灵敏度的水声
或液位传感器等。
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
1、强度调制型光纤传感器技术 1.5 光吸收强度调制
Porcelain bushing
光纤传感技术课件：偏振态调制型光纤传感器
偏振态调制型光纤传感器
偏振态调制型光纤传感器
6.1 偏振态调制型传感原理 6.2 偏振态调制光纤传感器应用实例
1
偏振态调制型光纤传感器
6.1
偏振态调制型光纤传感器是有较高灵敏度的检测装置。 它比高灵敏度的相位调制光纤传感器的结构简单且调整方便。 偏振态调制型光纤传感器通常基于电光、 磁光和弹光效应， 通过敏感外界电磁场对光纤中传输的光波的偏振态的调制来检 测被测电磁场参量。 最为典型的偏振态调制效应有Pockels效 应、 Kerr效应、 Faraday效应， 以及弹光效应（原理介绍详见 第一章1.3.4节）。
13
偏振态调制型光纤传感器
当电极上加外电场时， 有光通过检偏镜， 克尔盒呈开 启状态。 若在两极上加电压U， 则由感应双折射引起的两 偏振光波的光程差为
(6.1-9)
14
偏振态调制型光纤传感器
图6-1 克尔调制器装置图
15
两光波间的相位差则为
偏振态调制型光纤传感器
(6.1-10)
式中： U是外加电压， l 是光在克尔组件中的光程长度， d 是两极间距离， k是克尔常数。
Pockels效应使晶体的双折射性质发生改变， 这种变化理 论上可由描述晶体双折射性质的折射率椭球(或光率球体)的变 化来表示， 以主折射率表示的折射率椭球方程为
8
偏振态调制型光纤传感器
偏振态调制型光纤传感器
6.1 偏振态调制型传感原理 6.2 偏振态调制光纤传感器应用实例
1
偏振态调制型光纤传感器
6.1
偏振态调制型光纤传感器是有较高灵敏度的检测装置。 它比高灵敏度的相位调制光纤传感器的结构简单且调整方便。 偏振态调制型光纤传感器通常基于电光、 磁光和弹光效应， 通过敏感外界电磁场对光纤中传输的光波的偏振态的调制来检 测被测电磁场参量。 最为典型的偏振态调制效应有Pockels效 应、 Kerr效应、 Faraday效应， 以及弹光效应（原理介绍详见 第一章1.3.4节）。
13
偏振态调制型光纤传感器
当电极上加外电场时， 有光通过检偏镜， 克尔盒呈开 启状态。 若在两极上加电压U， 则由感应双折射引起的两 偏振光波的光程差为
(6.1-9)
14
偏振态调制型光纤传感器
图6-1 克尔调制器装置图
15
两光波间的相位差则为
偏振态调制型光纤传感器
(6.1-10)
式中： U是外加电压， l 是光在克尔组件中的光程长度， d 是两极间距离， k是克尔常数。
Pockels效应使晶体的双折射性质发生改变， 这种变化理 论上可由描述晶体双折射性质的折射率椭球(或光率球体)的变 化来表示， 以主折射率表示的折射率椭球方程为
8
偏振态调制型光纤传感器
光纤传感技术课件：强度调制型光纤传感器
2
强度调制型光纤传感器
图3-1 强度调制型光纤传感原理图
3
强度调制型光纤传感器
一般情况下， 强度调制型光纤传感器的价格要比干涉类 型光纤传感器少一个数量级； 在各种调制方式中， 强度调制 型光纤传感器约占其中的30%。 强度调制型光纤传感器也是 最早进入实用化和商品化的光纤传感器。
强度调制型光纤传感器具有结构简单、 容易实现， 成本 低等优点； 同时又存在测量精度较低、 受光源强度波动和连 接器损耗变化等影响较大的缺点。
27
强度调制型光纤传感器
3.2.2
双光路法是传统的强度调制型光学测量技术中行之有效的 抗扰动方法。 初期， 人们简单地将双光路法直接引入强度调 制型光纤传感器中。 双光路法补偿技术原理图如图3-7所示。 这种方法有一定补偿效果， 简单可行， 但由于它没有解决传 输光纤中扰动这一关键问题， 因此， 对传输光纤的环境要求 很严， 实际应用存在一定的局限性。 而且， 由于两个光电接 收器件的漂移影响不能克服， 因此精度较低。 目前， 该方法 在国内部分强度调制型光纤传感器中仍被采用， 例如用于微 位移测量的光纤传感器。
28
强度调制型光纤传感器
图3-7 双光路法补偿技术原理图
29
强度调制型光纤传感器
3.2.3 双波长法(双频法)
Homio Inaba和W.B.Spillmafn等人对双波长法进行了深入 的研究。 他们首先将这种方法用于大气中有害气体的检测。 双波长法(双频法)补偿技术原理图如图3-8所示， 采用宽频光 源(或直接采用两个不同频率的光源)， 经过传感器后， 由于 不同频率具有不同的特性， 因此可以在输出端将两种波长的 光进行分离处理， 从而达到补偿的目的。 该方法目前多用于 吸收式强度调制型光纤传感器(例如甲烷气体浓度)， 还可用于 光纤位移传感器， 其精度优于测量范围的0.1%。 然而这种方 法结构较复杂， 同时由于不同波长的光在光纤中传输特性的 差异， 因此一般不用于遥测， 否则测量精度较低。
强度调制型光纤传感器
图3-1 强度调制型光纤传感原理图
3
强度调制型光纤传感器
一般情况下， 强度调制型光纤传感器的价格要比干涉类 型光纤传感器少一个数量级； 在各种调制方式中， 强度调制 型光纤传感器约占其中的30%。 强度调制型光纤传感器也是 最早进入实用化和商品化的光纤传感器。
强度调制型光纤传感器具有结构简单、 容易实现， 成本 低等优点； 同时又存在测量精度较低、 受光源强度波动和连 接器损耗变化等影响较大的缺点。
27
强度调制型光纤传感器
3.2.2
双光路法是传统的强度调制型光学测量技术中行之有效的 抗扰动方法。 初期， 人们简单地将双光路法直接引入强度调 制型光纤传感器中。 双光路法补偿技术原理图如图3-7所示。 这种方法有一定补偿效果， 简单可行， 但由于它没有解决传 输光纤中扰动这一关键问题， 因此， 对传输光纤的环境要求 很严， 实际应用存在一定的局限性。 而且， 由于两个光电接 收器件的漂移影响不能克服， 因此精度较低。 目前， 该方法 在国内部分强度调制型光纤传感器中仍被采用， 例如用于微 位移测量的光纤传感器。
28
强度调制型光纤传感器
图3-7 双光路法补偿技术原理图
29
强度调制型光纤传感器
3.2.3 双波长法(双频法)
Homio Inaba和W.B.Spillmafn等人对双波长法进行了深入 的研究。 他们首先将这种方法用于大气中有害气体的检测。 双波长法(双频法)补偿技术原理图如图3-8所示， 采用宽频光 源(或直接采用两个不同频率的光源)， 经过传感器后， 由于 不同频率具有不同的特性， 因此可以在输出端将两种波长的 光进行分离处理， 从而达到补偿的目的。 该方法目前多用于 吸收式强度调制型光纤传感器(例如甲烷气体浓度)， 还可用于 光纤位移传感器， 其精度优于测量范围的0.1%。 然而这种方 法结构较复杂， 同时由于不同波长的光在光纤中传输特性的 差异， 因此一般不用于遥测， 否则测量精度较低。
光纤传感器基本原理1
(2)利用半导体的吸收特性进行强度调制 大多数半导体的禁带宽度Eg都随着温度T的升高而几乎线 性地减小。因此，它们的光吸收边的波长λg(T)将随着T的升高 而变化。如果选用辐射谱与λg(T)相适应的发光二极管，那么 通过半导体的光强将随着T的升高而下降，测量透过的光强， 即可确定温度。
半导体晶格吸收型温度传感器，它的结构是把半导体晶体 制成薄片，在片子的两侧固定上光纤，用不锈钢管保护。
二、强度调制机理
强度调制光纤传感器的基本原理是待测物理量引起 光纤中的传输光光强变化。通过检测光强的变化实现对 待测量的测量，其原理如下图所示。
P0 Pi
Pi
P0
强度调制方式很多，大致可分为以下几种:反射式强度 调制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸 收系数强度调制等等。一般透射式、反射式和折射率强度 调制称为外调制式，光模式称为内调制式。
输出光纤端面受光锥照射的表面所占的百分比为 1 arccos( 1 ) (1 ) sin[arccos (1 )] r r r
P0 r 2 ) F (耦合效率) 被输出光纤接收的入射光功率百分数为 ( ) ( Pi r 2dT
光纤传感原理与技术是以光纤的导波现象为基础的,光 从光纤射出时，光的特性得到调制，通过对调制光的检测， 便能感知外界的信息，实现对各种物理量的测量，这就是光 纤传感器的基本原理。 光纤传感器是用待测量对光纤内传输的光波参量进行调制 得到调制信号，该信号经光纤传输至光探测器进行解调，从而 获得待测量值的一种装置。与传统的传感器不同，它将被测信 号转换为光信号的形式取出。
光纤传感技术(全)
自动化控制和优化调度。
设备故障诊断
通过光纤传感器对设备运行过程中 的振动、温度、压力等参数进行实 时监测，实现故障预警和远程诊断 。
环境监测
在工业生产环境中，光纤传感器可 用于监测气体、液体、固体等环境 参数的变化，确保生产安全。
能源环保领域应用
油气管道监测
光纤传感器可用于油气管道的泄漏监测和定位，提高管道运输的安 全性和环保性。
03
成本
点式光纤传感器成本相对较低，而分布式光 纤传感器成本较高。
05
02
测量范围
点式光纤传感器适用于局部测量，而分布式 光纤传感器可实现大范围、长距离的连续测 量。
04
抗干扰能力
分布式光纤传感器具有较强的抗干扰 能力，能够在复杂环境中稳定工作。
06
选择依据
根据实际测量需求，综合考虑测量精度、范围 、响应速度、抗干扰能力和成本等因素，选择 合适的光纤传感器类型。
和Leabharlann Baidu决方案。
THANKS。
智能家居
在智能家居系统中，光纤传感器 可用于门窗、照明、空调等设备 的自动控制，提高家居生活的舒 适性和安全性。
安全防护
光纤传感器可用于周界安防、入 侵检测等安全防护系统中，实现 对目标区域的实时监测和报警。
05
光纤传感技术发展趋势与挑战
新型材料在光纤传感中应用前景
设备故障诊断
通过光纤传感器对设备运行过程中 的振动、温度、压力等参数进行实 时监测，实现故障预警和远程诊断 。
环境监测
在工业生产环境中，光纤传感器可 用于监测气体、液体、固体等环境 参数的变化，确保生产安全。
能源环保领域应用
油气管道监测
光纤传感器可用于油气管道的泄漏监测和定位，提高管道运输的安 全性和环保性。
03
成本
点式光纤传感器成本相对较低，而分布式光 纤传感器成本较高。
05
02
测量范围
点式光纤传感器适用于局部测量，而分布式 光纤传感器可实现大范围、长距离的连续测 量。
04
抗干扰能力
分布式光纤传感器具有较强的抗干扰 能力，能够在复杂环境中稳定工作。
06
选择依据
根据实际测量需求，综合考虑测量精度、范围 、响应速度、抗干扰能力和成本等因素，选择 合适的光纤传感器类型。
和Leabharlann Baidu决方案。
THANKS。
智能家居
在智能家居系统中，光纤传感器 可用于门窗、照明、空调等设备 的自动控制，提高家居生活的舒 适性和安全性。
安全防护
光纤传感器可用于周界安防、入 侵检测等安全防护系统中，实现 对目标区域的实时监测和报警。
05
光纤传感技术发展趋势与挑战
新型材料在光纤传感中应用前景
光纤传感原理与应用 尚盈 电子课件 第六章
图6-1-6 光纤折射率随温度变化的关系
6.1 强度调制型光纤传感器
6.1 强度调制型光纤传感器
6.1.4 折射率强度调制
2、利用光纤折射率的变化引起渐逝波耦合度变化的强度调制 当光由光密介质入射到光疏介质中时，会在两种介质的界面上发生全反射而不入射到光疏介质中， 但实际上由于波动效应，有一部分光会穿过界面穿到另外的介质中去，这种光场被称为渐逝场，且其强 度呈指数衰减，所以平均来看，它不能把能量带出两种介质的界面。通常，当渐逝波在光疏介质中深入 距离有几个波长时，能量就可以忽略不计了。如果采用一种办法使渐逝场能以较大的振幅穿过光疏介质， 并伸展到附近的折射率高的光密介质材料中，那么能量就能穿过间隙，这一过程称为受抑全反射。
wenku.baidu.com
6.1 强度调制型光纤传感器 6.1 强度调制型光纤传感器
6.1.1 反射式强度调制 反射式调制的基本原理如图6-1-2所示，输入光纤将光源发出的光射向被测物体表面，然后由输出 光纤接收物体表面反射回来的光并传输至光电接收器；光电接收器所接收到的光强的大小随被测表面与 光纤(对)之间的距离而变化。
图6-1-5 微弯传感器的工作原理图
6.1 强度调制型光纤传感器
6.1 强度调制型光纤传感器
6.1.4 折射率强度调制
折射率强度调制的基本原理是多个物理量都可以引起光纤折射率的变化，通过折射率的变化实现光 强的调制。主要有三种方式。
6.1 强度调制型光纤传感器
6.1 强度调制型光纤传感器
6.1.4 折射率强度调制
2、利用光纤折射率的变化引起渐逝波耦合度变化的强度调制 当光由光密介质入射到光疏介质中时，会在两种介质的界面上发生全反射而不入射到光疏介质中， 但实际上由于波动效应，有一部分光会穿过界面穿到另外的介质中去，这种光场被称为渐逝场，且其强 度呈指数衰减，所以平均来看，它不能把能量带出两种介质的界面。通常，当渐逝波在光疏介质中深入 距离有几个波长时，能量就可以忽略不计了。如果采用一种办法使渐逝场能以较大的振幅穿过光疏介质， 并伸展到附近的折射率高的光密介质材料中，那么能量就能穿过间隙，这一过程称为受抑全反射。
wenku.baidu.com
6.1 强度调制型光纤传感器 6.1 强度调制型光纤传感器
6.1.1 反射式强度调制 反射式调制的基本原理如图6-1-2所示，输入光纤将光源发出的光射向被测物体表面，然后由输出 光纤接收物体表面反射回来的光并传输至光电接收器；光电接收器所接收到的光强的大小随被测表面与 光纤(对)之间的距离而变化。
图6-1-5 微弯传感器的工作原理图
6.1 强度调制型光纤传感器
6.1 强度调制型光纤传感器
6.1.4 折射率强度调制
折射率强度调制的基本原理是多个物理量都可以引起光纤折射率的变化，通过折射率的变化实现光 强的调制。主要有三种方式。
光纤传感器基本原理
二、利用半导体的吸收特性进行强度调制
大多数半导体的禁带宽度Eg都随着 温度T的升高而几乎线性地减小。它们的 光吸收边的波长将随着T的升高而变化。
5.3 相位调制机理
• 利用光相位调制来实现一些物理量的测 量可以获得极高的灵敏度。
• 相位调制光纤传感器的基本传感原理是： 通过被测能量场的作用，使光纤内传播 的光波相位发生变化，再用干涉测量技 术把相位变化转换为光强变化，从而检 测出待测的物理量。
两个光电二极管的敏感 波长不同，一个对540 nm的光敏感，另一个 对630 nm的光敏感。经 光电二极管转换成电信 号，再经过电子电路进 行信号处理，得到相对 光强与温度变化的特性 曲线。经校正可以得到 输出相对光强与温度呈 线性关系。
5.5.3 光纤黑体探测技术
通过测量物体的热辐射能量确定物体表面温度是 非接触式测温技术。物体的热辐射能量随温度 提高而增加。对于理想“黑体”辐射源发射的 光谱能量可用热辐射的基本定律之一普朗克 (Plank)公式表述.
被输出光纤接收的入射光功率百分数为(F被称为耦合效率)
5.2.2 透射式强度调制
动光纤式光强调制模型，用来测量位移、压力、温度等物理量。这 些物理量的变化使接收光纤的轴线相对于发射光纤错开一段距离, 光强度调制器的线性度和灵敏度都很好。
采用双透镜系统使入射 光纤在出射光纤上聚焦， 遮光屏在垂直于两透镜 之间的光传播方向上下 移动。这种传感器光耦 合计算方法与反射式传 感器是一样的。在上述 的简化分析限定范围内， 比值δ/r与可移动遮光屏 及两透镜问半径为r的光 柱相交叠面积的百分比α。
光纤传感器ppt课件
9.3 光导纤维传感器的类型 9.3.1 光纤传感器的分类 1．按测量对象分类 ：分为光纤温度传感器、光纤浓度 传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器。 2．按光纤中光波调制的原理分类 ：分为强度调制型光 纤传感器、相位调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感 器、频率调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器。 3．按光纤在传感器中的作用分类 ：分为功能型光纤传 感器（FF型，function fiber）和非功能型光纤传感器（ NFF型，non function fiber）
9.1 光纤传感器的原理结构及种类 9.1.1 光纤传感器的原理 光纤传感器由光发送器、敏感元件、光接收 器、信号处理系统及光导纤维等主要部分组成。 光纤传感系统的基本原理是：光纤中光波参 数（如光强、频率、波长、相位以及偏振态等） 随外界被测参数的变化而变化，所以，可通过检 测光纤中光波参数的变化以达到检测外界被测物 理量的目的。
2、按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型 1）阶跃型光纤（折射率固定不变）：指纤芯和包层折射 率不连续的光纤。 2）梯度型光纤（纤芯折射率近似呈平方分布）：在中心 轴上折射率最大，沿径向逐渐变小，界面处 n1=n2，n1 的分布大多按抛物线规律，其关系式为： n1=n.(1-A.r2/2) n为纤芯中心折射率，如1.525 A为常数，如A=0.5mm-2 r为径向坐标 采用梯度折射率光纤时，光射入光纤后会自动从界面向 轴心会聚，故也称为自聚焦光纤。
光纤压力传感器ppt
光纤压力传感 器
主要内容
• 一、光纤传感技术概念 • 二、光纤压力传感器分类 • 三、光纤压力传感器的应
用
光纤传感技术概念
• 光纤传感技术
伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体,光 纤为媒质,感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。当这种外界信号为压 力时,即构成光纤压力传感器。光纤压力传感器作为一种新型的传感器,与传统的 压力传感器相比体积小、重量轻,具有电绝缘性、不受电磁干扰、可用于易燃易 爆的环境中等优点,另外还可以构成光纤分布式压力传感器,对桥梁、大坝等进行 健康状况的实时监测。
一、强度调制光纤压力传感器
• 微弯型
原理：当齿形板受
外部扰动时,光纤的 微弯程度随之变化, 从而导致输出光功 率的改变,通过光检 测器检测到的光功 率变化来间接地测 量外部压力的大小 。
优点：结构简单,容易装配,造价低。 缺点：传感器的微弯结构周期要求严格,因此机械设计相当复杂,另外加速度
效应也会使其性能恶化。
一、强度调制光纤压力传感器
• 透射型
原理：在发射光纤与
接收光纤之间放置一 个遮光片,对进入接收 光纤的光束产生一定 程度的遮挡,外界信号 通过控制遮光片的位 移来制约遮光程度,实 现对进入接收光纤的 光强进行调制。
优点：灵敏度高，线性度好。
一、强度调制光纤压力传感器
主要内容
• 一、光纤传感技术概念 • 二、光纤压力传感器分类 • 三、光纤压力传感器的应
用
光纤传感技术概念
• 光纤传感技术
伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体,光 纤为媒质,感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。当这种外界信号为压 力时,即构成光纤压力传感器。光纤压力传感器作为一种新型的传感器,与传统的 压力传感器相比体积小、重量轻,具有电绝缘性、不受电磁干扰、可用于易燃易 爆的环境中等优点,另外还可以构成光纤分布式压力传感器,对桥梁、大坝等进行 健康状况的实时监测。
一、强度调制光纤压力传感器
• 微弯型
原理：当齿形板受
外部扰动时,光纤的 微弯程度随之变化, 从而导致输出光功 率的改变,通过光检 测器检测到的光功 率变化来间接地测 量外部压力的大小 。
优点：结构简单,容易装配,造价低。 缺点：传感器的微弯结构周期要求严格,因此机械设计相当复杂,另外加速度
效应也会使其性能恶化。
一、强度调制光纤压力传感器
• 透射型
原理：在发射光纤与
接收光纤之间放置一 个遮光片,对进入接收 光纤的光束产生一定 程度的遮挡,外界信号 通过控制遮光片的位 移来制约遮光程度,实 现对进入接收光纤的 光强进行调制。
优点：灵敏度高，线性度好。
一、强度调制光纤压力传感器
光纤传感技术中的光学原理及效应
力。
02
光学原理基础
光的波动理论
来自百度文库
光的波动理论
光的干涉
光的衍射
光的偏振
光的散射
光在介质中传播时，被 视为波动现象。波动具 有振幅、频率、波长等 特性，这些特性决定了 光的能量、颜色和方向 。
当两束或多束相干光波 相遇时，它们会相互叠 加产生干涉现象。干涉 现象表现为光强的增强 或减弱，形成明暗相间 的干涉条纹。
光纤传感技术中的光学原理 及效应
• 光纤传感技术概述 • 光学原理基础 • 光纤效应 • 光纤传感器的原理与分类 • 光纤传感器的应用实例
01
光纤传感技术概述
光纤传感技术的定义与特点
总结词
光纤传感技术是一种利用光纤作为敏感元件进行测量的技术，具有高灵敏度、高 精度、抗干扰能力强等特点。
详细描述
光的吸收与色散
光的吸收
光在传播过程中，被介质吸收导致光 强减小的现象称为光的吸收。不同波 长的光被吸收的程度不同，这决定了 物质的颜色和透明度。
光的色散
不同波长的光在传播速度上存在差异 的现象称为光的色散。色散现象导致 了白光通过棱镜后形成彩色光谱的现 象。
03
光纤效应
光纤的传输特性
01
02
03
光纤传感技术的发展趋势
总结词
光纤传感技术的发展趋势包括提高灵敏度和 精度、实现多功能化、降低成本等。
02
光学原理基础
光的波动理论
来自百度文库
光的波动理论
光的干涉
光的衍射
光的偏振
光的散射
光在介质中传播时，被 视为波动现象。波动具 有振幅、频率、波长等 特性，这些特性决定了 光的能量、颜色和方向 。
当两束或多束相干光波 相遇时，它们会相互叠 加产生干涉现象。干涉 现象表现为光强的增强 或减弱，形成明暗相间 的干涉条纹。
光纤传感技术中的光学原理 及效应
• 光纤传感技术概述 • 光学原理基础 • 光纤效应 • 光纤传感器的原理与分类 • 光纤传感器的应用实例
01
光纤传感技术概述
光纤传感技术的定义与特点
总结词
光纤传感技术是一种利用光纤作为敏感元件进行测量的技术，具有高灵敏度、高 精度、抗干扰能力强等特点。
详细描述
光的吸收与色散
光的吸收
光在传播过程中，被介质吸收导致光 强减小的现象称为光的吸收。不同波 长的光被吸收的程度不同，这决定了 物质的颜色和透明度。
光的色散
不同波长的光在传播速度上存在差异 的现象称为光的色散。色散现象导致 了白光通过棱镜后形成彩色光谱的现 象。
03
光纤效应
光纤的传输特性
01
02
03
光纤传感技术的发展趋势
总结词
光纤传感技术的发展趋势包括提高灵敏度和 精度、实现多功能化、降低成本等。
相关主题
- 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)。
B、渐逝波耦合型
通常．渐逝波在光疏媒质中深人距 离有几个波长时．能量就可以忽略不计 了。如果采用一种办法使渐逝场能以较 大的振幅穿过光疏媒质，并伸展到附近 的折射率高的光密媒质材料中，能量就 能穿过间隙，这一过程称为受抑全反射 。
（1） 反射式强度调制
这是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传光作用 .
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
Institude of Lightwave Technology
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
1. 强度调制机理
Iபைடு நூலகம்stitude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
第六章
光纤传感器基本原理
c 1
00
二、光波是横波（振向和传向垂直）
Y E
O
X
H Z
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
微弯式光纤压力传感
基于光纤的微弯效应，即由压力引起变形器产 生位移，使光纤弯曲而调制光强度。
微 弯 式 光 纤 水 听 器 探 头
两个模的传播常数分别 为β和β′，当 Δβ= │β-β′│ = 2π/λ
相位失配为零，模间精 合达到最佳。
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
1 聚碳酸酯薄膜 2 可动变形板 3 固定变形板 4、5 光纤
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
（4）折射率强度调制
A、光纤折射率变化型 一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不 同。在温度恒定时，包层折射率n2与纤芯折 射率n1之间的差值是恒定的。当温度变化时 ， n2 、 n1之间的差发生变化，从而改变 传输损耗。因此，以某一温度时接收到的 光强为基准,根据传输功率的变化可确定温 度的变化。
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
利用两个周期结构的光栅遮光屏传感器．通过一对光栅遮光屏的透 射率，从50％(当两个屏完全重叠时)变到零(当一个屏的不透明条完 全覆盖住另一个屏的透明部分)。在此周期性结构范围内，光的输 出强度是周期性的。而且它的分辨率在光珊条纹间距的10-6数量级 以内。这是能够构成很灵敏、很简单、高可靠的位移传感器的基础
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述：
光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为：
强度调制光纤传感器 相位调制光纤传感器 频率调制光纤传感器 偏振调制光纤传感器 波长(颜色)调制光纤传感器
变形器的位移改变了弯曲处的模振幅，从而产生强 度调制。
对于抛物线(或平方律或梯度)折射率分布的光纤． 变形器的临界空间周期为
对于阶跃光纤
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
光在不同介质中，光速不同，但频率不变， 所以波长变，波长一般指真空中的波长。
2.折射率
nc v
rr 连接光学和电磁学的桥梁。
n
介
真
质
空
中
中
rvt
nn
nr
实验证明：对人眼视觉和感光仪器起作用的主要是光的振 动部分，所以，一般用电振动矢量来代表光的振动。
Institude of Lightwave Technology
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
（3）光模式强度调制
当光纤之间状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其 中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
通常．渐逝波在光疏媒质中深人距 离有几个波长时．能量就可以忽略不计 了。如果采用一种办法使渐逝场能以较 大的振幅穿过光疏媒质，并伸展到附近 的折射率高的光密媒质材料中，能量就 能穿过间隙，这一过程称为受抑全反射 。
（1） 反射式强度调制
这是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传光作用 .
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
Institude of Lightwave Technology
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
1. 强度调制机理
Iபைடு நூலகம்stitude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
第六章
光纤传感器基本原理
c 1
00
二、光波是横波（振向和传向垂直）
Y E
O
X
H Z
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
微弯式光纤压力传感
基于光纤的微弯效应，即由压力引起变形器产 生位移，使光纤弯曲而调制光强度。
微 弯 式 光 纤 水 听 器 探 头
两个模的传播常数分别 为β和β′，当 Δβ= │β-β′│ = 2π/λ
相位失配为零，模间精 合达到最佳。
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
1 聚碳酸酯薄膜 2 可动变形板 3 固定变形板 4、5 光纤
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
（4）折射率强度调制
A、光纤折射率变化型 一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不 同。在温度恒定时，包层折射率n2与纤芯折 射率n1之间的差值是恒定的。当温度变化时 ， n2 、 n1之间的差发生变化，从而改变 传输损耗。因此，以某一温度时接收到的 光强为基准,根据传输功率的变化可确定温 度的变化。
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
利用两个周期结构的光栅遮光屏传感器．通过一对光栅遮光屏的透 射率，从50％(当两个屏完全重叠时)变到零(当一个屏的不透明条完 全覆盖住另一个屏的透明部分)。在此周期性结构范围内，光的输 出强度是周期性的。而且它的分辨率在光珊条纹间距的10-6数量级 以内。这是能够构成很灵敏、很简单、高可靠的位移传感器的基础
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述：
光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为：
强度调制光纤传感器 相位调制光纤传感器 频率调制光纤传感器 偏振调制光纤传感器 波长(颜色)调制光纤传感器
变形器的位移改变了弯曲处的模振幅，从而产生强 度调制。
对于抛物线(或平方律或梯度)折射率分布的光纤． 变形器的临界空间周期为
对于阶跃光纤
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
光在不同介质中，光速不同，但频率不变， 所以波长变，波长一般指真空中的波长。
2.折射率
nc v
rr 连接光学和电磁学的桥梁。
n
介
真
质
空
中
中
rvt
nn
nr
实验证明：对人眼视觉和感光仪器起作用的主要是光的振 动部分，所以，一般用电振动矢量来代表光的振动。
Institude of Lightwave Technology
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
（3）光模式强度调制
当光纤之间状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其 中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利
Institude of Lightwave Technology
一是作为领导干部一定要树立正确的 权力观 和科学 的发展 观，权 力必须 为职工 群众谋 利益， 绝不能 为个人 或少数 人谋取 私利