第10章光纤传感器

❖ 模式多，导致接收端合成 ❖ 更好的线性、灵敏度和
信号的畸变
动态范围
❖ 一般用于非功能性光纤传 ❖ 一般用于功能性光纤传
感器
感器
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光的反射、折射
当一束光线以一定的入射角θ1从
介质1射到介质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。
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光的全反射
光纤传感器在易燃易爆场合的应用
控制室
煤矿中CH4 等参数检测
光纤
各类油罐 参数检测
压力容器 参数检测
核工业环境 参数检测 7
光纤传感器在高电压、强电磁场干扰场合的应用
控制室
微波 设备
光纤
高压 变压器
高压 电动机
强电磁干扰 电气设备 8
光纤传感器与电类传感器对比
电类传感器 光纤传感器
电量 电量检测
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HE11基模与TE01模在光纤中的光 波电场
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光纤模式及其对光信号传输的影响
多模 阶跃光纤
n2 n1
多模
nr
梯度光纤
单模ຫໍສະໝຸດ Baidu
n2 n1
梯度光纤
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多模光纤与单模光纤
❖ 多模光纤芯径折射率差大、❖ 单模光纤芯径、数值孔
芯径大（>50μm）
径小（几个μm）
❖ 光耦合容易、损失小
❖ 光耦合困难、损失大
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。
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模的概念
❖ 光是一种电磁波。 ❖ 沿光纤传输的光可以分解为沿轴向和沿截面
的两个平面波成分。 ❖ 沿截面传输的波在纤芯和包层之间全反射，
每一往复传输的相位变化是2π的整数倍， 在截面内形成驻波，这样的驻波光线组称为 模。 ❖ 光纤内只能传输一定数量模的光。
实现电光转换的元件通常是发光 二极管或激光二极管。
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激光二极管的外形
激光二极管芯片 32
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。
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光纤传感器的特点
* 本质防爆 适合于易燃、易爆等危险物品检测 * 对电绝缘 适合于高电压场合检测 * 无感应性 适合于强电磁场干扰环境下检测
* 化学稳定性 适合于环保、医药、食品工业检测 * 时域变换性 适合于多点分布测量
* 低损耗 * 大容量 * 高精度 * 尺寸小 * 重量轻 * 非接触式
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• 从对比可见光纤传感器与电类传感器是并行互补的一类新 型传感器
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§10.1 光纤及光纤传感器
光纤结构与种类
涂覆层 包层 纤芯
护套
n纤芯>n包层
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光缆及光纤的拉制
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各种装饰性光导纤维
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光纤的种类
❖ 按材料分：
✓ 玻璃光纤 ✓ 塑料光纤 ✓ 石英光纤
❖按模式分：
✓单模光纤 ✓多模光纤
❖ 按折射率分布分：
❖ 1966年高昆博士提出光纤传输的理论
❖
❖ 1969年日本平板玻璃公司制出200dB/KM梯度光纤 ❖ 1970年美康宁公司制出世界第一根20dB/KM低损耗光纤 ❖ 1972年日本电子技术综合研究所制出7dB/KM SiO2芯光纤 ❖ 1973年美贝尔实验室用化学沉积法（CVD）制光纤 ❖ 1978年对1.5μm光传输接近理论值约0.2dB/KM ❖ 1980年光通讯产业形成
光源 光量检测
电
类
电缆
传
感
器
被 测 参 量
光
纤
光纤
传
感
器
被 测 参 量
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光纤传感器与电类传感器对比
分类 内容
光纤传感器
振幅：吸收、反射等
调制参量 相位：
偏振:…
敏感材料
温-光敏、力-光敏、 磁-光敏…
传输信号
光
电类传感器
电阻、电容、电感等
温-电敏、力-电敏、 磁-电敏… 电
传输介质
光纤、光缆
电线、电缆
➢ 本征损耗是光纤的固有损耗，包括：光纤内 杂质瑞利散射，固有吸收等.
➢ 弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射 而损失掉，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0.8μm），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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光纤传感器所用器件
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光纤传感器的发展与动态
❖ 70年代末，美最先发表FOS文章 ❖ 1981年美召开光纤陀螺会议 ❖ 1981年英第一届国际FOS会议 ❖ 1984年西德第一届FOS会议 ❖ 1986年美第三届FOS会议 ❖ 1988年日本第四届FOS会议 ❖ 1989年美第五届FOS会议 ❖ 2000年意大利第十四届FOS会议
✓ 阶跃型光纤 ✓ 梯度型光纤 ✓ 特种光纤
保偏光纤 图像传输光纤 液芯光纤
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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。
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梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴
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。
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单模光纤 单模光纤的纤芯直径较小（数微米）接近于
➢ 光源：要求体积小、功率大、波长合适、工作稳定
✓ 相干光：半导体激光器等 ✓ 非相干光：发光二极管、白炽灯等
➢ 探测器：灵敏度好、响应快、线性好
✓ 光电二极管、光电倍增管 ✓ 光敏电阻、光电池
➢ 无源器件：
✓ 光纤分路器(耦合器) ✓ 光纤连接器 ✓ 自聚焦透镜
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与光纤耦合的电光与光电转换器件
当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界面的 夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传
播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角θc。当 入射角小于θc时，入射光线将发生全反射。
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光纤集光能力
N A sina n12 n22
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光在光纤中传输
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光的全反射实验
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传光损耗
➢ 造成光纤衰减的主要因素有：本征损耗，弯 曲，挤压，杂质，不均匀和对接等。
第十章 光纤传感器
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第十章 光纤传感器
§10.1 §10.2 §10.3 §10.4 §10.5 §10.6
光纤与光纤传感器 光强调制光纤传感器 相位调制光纤传感器 偏振态调制光纤传感器 频率调制光纤传感器 分布式光纤传感器
工作原理:
➢ 光纤最早在光学行业中用于 传光和传象，在70年代初生 产出低损耗光纤后，光纤在 通信技术中用于长距离传递信
息。
➢ 由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且光波在
光纤中的传播时表征光波的特征参量（振幅、相位、
偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压力、磁场、
电场、位移等）的作用而间接或直接地发生变化，从
而可将光纤用作传感器元件来探测各种待测量（物理
量、化学量和生物量），这就是光纤传感器的基本原
理。
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光纤的发展与动态