光纤传感器的基本原理
合集下载
- 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)。
• 功能型光纤传感器是利用光纤本身的特 性把光纤作为敏感元件，所以也称传感 型光纤传感器，或全光纤传感器。
• 非功能型光纤传感器是利用其它敏感元 件感受被测量的变化，光纤仅作为传输 介质，传输来自远处或难以接近场所的 光信号．所以也称为传光型传感器．或 混合型传感器。
光纤传感器的基本原理
在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述：
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。
光纤传感器的基本原理
不用透镜的两光 纤直接耦合系统， 结构虽然简单， 但也能很好地工 作。只是接收光 纤端面只占发射 光纤发出的光锥 底面的一部分， 使光耦合系数减 小，灵敏度也降 低一个数量级
第五章 光纤传感器基本原理步形成的。
光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列
独特的优点，如灵敏度高，抗电磁干扰、耐腐 蚀、电绝缘性好，防爆，光路有可挠曲性，便 于与计算机联接，结构简单，体积小，重量轻， 耗电少等。
光纤传感器的基本原理
• 光纤传感器按传感原理可分为功能型和 非功能型。
光纤传感器的基本原理
二、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 果采用一种办法使惭逝场能以较大的振 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。
光纤传感器的基本原理
L表示一对单模或多模光纤的相互作用长度，d表示纤芯之间的 距离。光纤包层被减薄或完全剥去，足以产生渐逝场耦合。 d、L或n2稍有变化，光探测器的接收光强就有明显变化、从而 实现光强调制、这一原理已应用于水听器。
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。
光纤传感器的基本原理
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
光纤传感器的基本原理
光纤传感器的基本原理
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
光纤传感器的基本原理
5.2 强度调制机理
光纤传感器的基本原理
5.2.1 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.
光纤传感器的基本原理
光纤传感器的基本原理
• 作业
1、由图5-2的几何关系推导出下列关系式
2、由图5-2，已知光纤芯直径为2r＝200um， 数据孔径NA=0.5，光纤间距a=100um。若取 函数F(d)的最大斜率处为该系统的灵敏度， 则耦合功率F随d变化速率为何值？
光纤传感器的基本原理
5.2.3 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，
光纤传感器的基本原理
5.3.1 相位调制 一、应力应变效应 当光纤受到纵向(轴向)的机械应力作用时，
光纤的长度、芯径、纤芯折射率都将发 生变化，这些变化将导致光波的相位变 化.
光纤传感器的基本原理
三、反射系数型
光纤传感器的基本原理
由菲涅尔反射公式
式中，R∥为平行偏振方向的强度反射系数，R⊥为垂 直偏振方向的强度反射系数；n=n3／n1 ，θ为入射光 波在界面上的入射角。
光纤传感器的基本原理
5.2.5 光吸收系数强度调制
一、利用光纤的吸收特性进行强度调制
x射线、γ射线等辐射线会使光纤材料的吸 收损耗增加，使光纤的输出功率降低， 从而构成强度调制辐射量传感器。改变 光纤材料成分可对不同的射线进行测量。 如选用铅玻璃制成光纤，它对x射线、 γ 射线、中子射线最敏感，用这种方法做 成的传感器既可用于卫星外层空间剂量 的监测，也可用于核电站、放射性物质 堆放处辐射量的大面积监测。
光纤传感器的基本原理
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。
光纤传感器的基本原理
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。
输出光纤端面受光锥照 射的表面所占的百分比 为
光纤传感器的基本原理
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)
光纤传感器的基本原理
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光敏纤传度感都器的很基本好原。理
光纤传播模式的改变， 还可以改变光纤模斑斑 图，依据模斑图形的变 化也可进行光模式强度 调制。多模光纤出射的 远场光斑就像一个切开 的“西瓜”，“亮”、“黑” 无规则地相间变化。
光纤传感器的基本原理
5.2.4 折射率强度调制
一、光纤折射率变化型 一般光纤的纤芯和包层的折射军温度系数
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。
(r/dT)2。
光纤传感器的基本原理
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。
• 非功能型光纤传感器是利用其它敏感元 件感受被测量的变化，光纤仅作为传输 介质，传输来自远处或难以接近场所的 光信号．所以也称为传光型传感器．或 混合型传感器。
光纤传感器的基本原理
在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述：
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。
光纤传感器的基本原理
不用透镜的两光 纤直接耦合系统， 结构虽然简单， 但也能很好地工 作。只是接收光 纤端面只占发射 光纤发出的光锥 底面的一部分， 使光耦合系数减 小，灵敏度也降 低一个数量级
第五章 光纤传感器基本原理步形成的。
光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列
独特的优点，如灵敏度高，抗电磁干扰、耐腐 蚀、电绝缘性好，防爆，光路有可挠曲性，便 于与计算机联接，结构简单，体积小，重量轻， 耗电少等。
光纤传感器的基本原理
• 光纤传感器按传感原理可分为功能型和 非功能型。
光纤传感器的基本原理
二、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 果采用一种办法使惭逝场能以较大的振 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。
光纤传感器的基本原理
L表示一对单模或多模光纤的相互作用长度，d表示纤芯之间的 距离。光纤包层被减薄或完全剥去，足以产生渐逝场耦合。 d、L或n2稍有变化，光探测器的接收光强就有明显变化、从而 实现光强调制、这一原理已应用于水听器。
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。
光纤传感器的基本原理
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
光纤传感器的基本原理
光纤传感器的基本原理
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
光纤传感器的基本原理
5.2 强度调制机理
光纤传感器的基本原理
5.2.1 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.
光纤传感器的基本原理
光纤传感器的基本原理
• 作业
1、由图5-2的几何关系推导出下列关系式
2、由图5-2，已知光纤芯直径为2r＝200um， 数据孔径NA=0.5，光纤间距a=100um。若取 函数F(d)的最大斜率处为该系统的灵敏度， 则耦合功率F随d变化速率为何值？
光纤传感器的基本原理
5.2.3 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，
光纤传感器的基本原理
5.3.1 相位调制 一、应力应变效应 当光纤受到纵向(轴向)的机械应力作用时，
光纤的长度、芯径、纤芯折射率都将发 生变化，这些变化将导致光波的相位变 化.
光纤传感器的基本原理
三、反射系数型
光纤传感器的基本原理
由菲涅尔反射公式
式中，R∥为平行偏振方向的强度反射系数，R⊥为垂 直偏振方向的强度反射系数；n=n3／n1 ，θ为入射光 波在界面上的入射角。
光纤传感器的基本原理
5.2.5 光吸收系数强度调制
一、利用光纤的吸收特性进行强度调制
x射线、γ射线等辐射线会使光纤材料的吸 收损耗增加，使光纤的输出功率降低， 从而构成强度调制辐射量传感器。改变 光纤材料成分可对不同的射线进行测量。 如选用铅玻璃制成光纤，它对x射线、 γ 射线、中子射线最敏感，用这种方法做 成的传感器既可用于卫星外层空间剂量 的监测，也可用于核电站、放射性物质 堆放处辐射量的大面积监测。
光纤传感器的基本原理
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。
光纤传感器的基本原理
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。
输出光纤端面受光锥照 射的表面所占的百分比 为
光纤传感器的基本原理
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)
光纤传感器的基本原理
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光敏纤传度感都器的很基本好原。理
光纤传播模式的改变， 还可以改变光纤模斑斑 图，依据模斑图形的变 化也可进行光模式强度 调制。多模光纤出射的 远场光斑就像一个切开 的“西瓜”，“亮”、“黑” 无规则地相间变化。
光纤传感器的基本原理
5.2.4 折射率强度调制
一、光纤折射率变化型 一般光纤的纤芯和包层的折射军温度系数
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。
(r/dT)2。
光纤传感器的基本原理
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。