光纤传感器 PPT课件

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波 长 /m
瑞利散射损耗αR与波长λ 四次方成反比，可用经 验公式表示为α R =A/λ4， 瑞利散射系数A取决于纤 芯与包层折射率差Δ。当 Δ分别为0.2%和0.5%时， A分别为0.86和1.02。 瑞利散射损耗是光纤的 固有损耗，它决定着光 纤损耗的最低理论极限。 如果Δ=0.2%，在 1.55μm波长，光纤最低 理论极限为0.149 dB/km 。
频率调制 主要利用光学多普勒效应实现频率调制， 如图。观察者在O处观察到的频率为fs。 根据多普勒原理可得
fs
fi 1
v c
cos
1
cos2
L
P
θ1 Θ2
v
O
4、相位调制传感器
被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这 种相位变化而得到被测对象的信息。
利用光弹效应的声、压力或振动传感器； 利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器； 利用电致伸缩的电场、电压传感器 利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀 螺） 优点：灵敏度很高， 缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。
当θr =90°的临界状态时，
sini0 n12 n22
Sin θi定义为“数值孔径”NA（Numerical Aperture）
arcsinNA是一个临界角， θi > arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失； θi < arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。
4.光纤的传输特性 光纤的衰减(或损耗)和色散(或带宽)是描
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波 长 /m
散射损耗主要由材 料微观密度不均匀引 起的瑞利散射和由光 纤结构缺陷(如气泡)引 起的散射产生的。 结 构缺陷散射产生的损 耗与波长无关。
损 耗 / (dB·km－ 1)
10 0 50
10
5
实验
红外
吸收
1
0.5
瑞 利散 射
紫 外吸 收 0.1
0.0 5
波 导缺 陷
0.0 1 0.8
非功能型光纤传感器
传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的 媒介，待测对象的调 制功能是由其它光电 转换元件实现的，光 纤的状态是不连续的， 光纤只起传光作用。
拾光型光纤传感器 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。其典型例 子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤 温度传感器等。
吸收损耗是由SiO2材 料引起的固有吸收和由杂 质引起的吸收产生的。
由材料电子跃迁引起 的 吸 收 带 发 生 在 紫 外 (UV) 区 (λ<0.4μm) ， 由 分 子 振 动引起的吸收带发生在红 外 (IR) 区 (λ>7μm) ， 由 于 SiO2是非晶状材料，两种 吸收带从不同方向伸展到 可见光区。
Po=Piexp(-αL)
习惯上α的单位用dB/km,损耗(衰减)系数
10 lg pi (dB / km)
L p0
损 耗 / (dB·km－ 1)
10 0 50
10
5
实验
红外
吸收
1
0.5
瑞 利散 射
紫 外吸 收 0.1
0.0 5
波 导缺 陷
0.0 1 0.8
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波 长 /m
(2)多模光纤的色散
对于多模光纤，模间色散通常占主导地位。 如果把模间色散平衡掉，则剩下的是材料色 散和波导色散。此时，情况与单模传输类似， 不同的是这里的波导色散是多模波导色散。 在多模光纤中，波导色散与材料色散相比， 常常可以忽略。
材料色散是材料的折射率随频率变化引起的色散， 因此材料色散引起的脉冲展宽与光源谱宽成正比。 对于多模渐变型光纤，如果采用激光器(LD)作光源， 其谱宽一般为1-2nm，故可忽略材料色散。此时， 脉冲展宽主要由模间色散决定。但是，当光源为发 光二级管(LED)时，由于其谱宽大约为30—50nm， 故增加了材料色散的影响。这时，材料色散和模问 色散相比不可忽略。
层的折射率 。通常，在包层
外面还有一层起支撑保护作
用的套层。
2.光纤的种类及传输模式
根据折射率的变化规律,光纤分为阶跃型和梯度型.传输模 式分为单模和多模.
多模 阶跃光纤
n2 n1
多模
nr
梯度光纤
单模
n2 n1
梯度光纤
光纤的传光原理
返 回
3.传光原理--斯乃尔定理
当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射
（a）折射角大于入射角： n1 sini n2 sinr
（b）临界状态：
i0 arcsin(n2 / n1 )
（c）全反射 ：
i i0
光纤导光
n0 sini n1 sin j n1 sink n2 sinr
sin i (n1 / n0 ) sin j
强度调制
光源 入射光
IS
信 号
t
强度调制 出射光
光探测器
输出 ID
Ii
IO
t
ID
t
t
强度调制原理
2、偏振调制光纤传感器
利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息 应用：
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 优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度 高。
2）色散
色散(Dispersion)：是在光纤中传输的光信号， 由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种 物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散和 波导色散。
模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生 的， 它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料 折射率的波长特性有关.
材料色散：是由于光纤的折射率随波长而改变， 以及模式内部不同波长成分的光(实际光源不是纯 单色光)，其时间延迟不同而产生的。这种色散取 决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽 度。
述光纤传输特性的两个重要参量。
衰减的概念 由于损耗的存在，在光纤中传输的光
信号，不管是模拟信号还是数字脉冲，其 幅度都要减小。光纤的损耗在很大程度上 决定了系统的传输距离。
1)传输损耗：在光纤内传输的光功率P随距离z
的变化，可以用下式表示
dp ap dz
，α是损耗(衰减)系数。 设长度为L(km)的光纤， 输入光功率为Pi，输 出光功率应为
波方向移动。若采用发射光谱与半导体的
λg（t）相匹配的发光二极管作为光源，则
透射光强度将随 着温度的升高而 减小，即通过检 测透射光的强度 或透射率，即可
相
半导体透射率
光发送器
信号 处理
光受 信器
耦合器
光纤
被测对象
四、光纤传感器光学测量的基本原理
光就是一种电磁波，
光的电矢量E E Bsin(t )
被测量调制： 光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率 和相位 光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位 调制
1、强度调制型光纤传感器 是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折 射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度 变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微 弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反 射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、 机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射 或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、 气体等各种强度调制型光纤传感器。 优点：结构简单、容易实现，成本低。 缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响 较大 。
透射型半导体光纤温度传感器 半导体的吸收光谱与材料的Eg有关，而Eg 却随温度的不同而不同。Eg与温度t的关系 可表示为：
Egt Eg0 t 2
t
半导体材料的Eg随温度的上升而减小，亦 即其本征吸收波长λg随温度的上升而增大。
这个性质反映在半导体的透光性上则表现
为：当温度升高时，其透射率曲线将向长
波导色散：是由于波导结构参数与波长有关而产 生的， 它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折 射率差。
单模光纤与多摸光纤的色散
(1)单模光纤的色散
由于单模光纤只传输一种模式，因而它不存在模间 色散，只有模内色散，即材料色散和波导色散。它 们分别用色散系数σc和σω表示。总色散σ= σc+σω 。
通常，材料色散比波导色散大两个量级。但是，在 零色散区，材料色散与波导色散值大致相当，只是 两者符号相反。
3）光纤色散与带宽的关系
光纤色散使输入信号的各波长分量到达终 端的群延时不同．因此输出信号或脉冲将发 生畸变或展宽。脉冲展宽将限制传输容量或 决定最大中继距离。展宽程度可以有延迟时 间来表示。
1 • f c f0
•
k0
•
d 2
dk 2
f f0
k0 2f0 c
4）抗拉强度 5）集光能力
NA sini n12 n22
入射光
异常光 正常光
压电晶体
泡克尔斯效应
3、频率调制光纤传感器
被测对象引起的光频率的变化来进行监测 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； 利用光致发光的温度传感器等。
损 耗 / (dB·km－ 1)
10 0 50
10
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实验
红外
吸收
1
0.5
瑞 利散 射
紫 外吸 收 0.1
0.0 5
波 导缺 陷
0.0 1 0.8
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波 长 /m
光纤中的杂质主要有 过 渡 金 属 ( 例 如 Fe2+ 、 Co2+、Cu2+)和氢氧 根(OH-)离子，这些杂 质是早期实现低损耗 光纤的障碍。