光纤传感器及其应用 ppt课件

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传播模式对信号的影响
多模 阶跃光纤
n2 n1
多模
nr
梯度光纤
单模 梯度光纤
n2 n1
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光纤的传输损耗
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• 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：
• 本征：是光纤的固有损耗，包括散射，固有吸收等。 • 挤压：光纤受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。
• 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。
光纤传感器的分类
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• 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。
被测量
光源 180 1 2
f

fD

f

v

cos2

cos1
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光纤传感器及其应用
姓名：
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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
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• 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。
光纤传感器的分类
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• 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：非功能型（或称传光型、结构型）和功能型（或称 传感型、探测型） 。
• 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。
要在2θ 0张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。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。
光纤的分类
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。
涂覆层 保护套
包层
纤芯
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• 光纤传感器（Fiber Optic Sensor， 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。
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＜c
并随光纤能传送到
很远的距离, 光纤 ′
的传输是基于光的
全内射。
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光纤的传光原理
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• 数值孔径NA
•
入射角的最大值为：
sin0
1 n0
n12 n22
• 将sinθ 0定义为光导纤维的数值孔径,用NA表示,则：
NA意义：
NA

sin0

1 n0
n12 n22
NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只
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2、频率调制型光纤传感器
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• 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、气流及其他液体。（非功能 型）
光纤的传光原理
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• 斯奈尔定理：
n1 sin1 n2 sin2
（a）折射角大于入射角： 1 2
（b）临界状态： 2 900 c arcsin(n2 / n1) （c）全反射 ：1 c
• 在光纤中, 光的传
包层 n2
输限制在光纤中,
纤芯 n1
＞c
• 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0.8μ m)，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。
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光纤传感器的基本组成
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• 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。
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光纤的分类
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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）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。
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1、光强调制型光纤传感器
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• 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 。
IS S光源
ID
t
入射光 Ii
信 号
出射光 Io
ID
t
强度调制区
探测器D
Ii
IO
t
• 光(形受源状到强一了度样外为→场I信的i→号调传处制感理)头电→→路输被再出测检光信测强号出I0的t 调的作制包用信络使号线强，与度就被发得测生到信变了号化被的 测信号。