第十讲光纤传感器PPT资料

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,第十讲 光纤传感器,第十讲光纤传感器,第一页，共49页。,光导纤维传感器（简称光纤传感器）,是20世纪七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。,与其它传感器相比较(bjio)，光纤传感器有如下特点：,1.不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；,2.可根据需要做成各种形状，可以弯曲；,3.可以用于高温、高压,绝缘性好,耐腐蚀.,第二页，共49页。,基本采用石英玻璃，,主要由三部分组成,中心纤芯；,外层包层；,护套尼龙料。,光导纤维的导光能力(nngl)取决于纤芯和包层的性质，,纤芯折射率n1略大于包层折射率n2（n1 n2）。,10.1 光纤的结构(jigu)与传光原理,10.1.1 光纤的结构(jigu),100 200m,包层,玻璃纤维,尼龙外层,涂敷层,纤芯,外层直径,1mm,第三页，共49页。,线膨胀系数(png zhng xsh)；,将sin0定义为光导纤维(un do xin wi)的数值孔径,用NA表示,则,第二十二页，共49页。,原来光束以大于临界角C的角度(jiod)1在纤芯内传输为全反射；,光是一种(y zhn)电磁波：,例4 膜片反射式光纤压力(yl)传感器,4 相位(xingwi)调制,因此，通过检测物体的振动频率便可测出流体的流速，由上式可知，流体的流速与涡流频率呈线性关系。,(a)(b),微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中.,光纤只当作传播(chunb)光的,n/T折射率温度系数；,第三十九页，共49页。,第二十三页，共49页。,光导纤维传感器（简称光纤传感器）,光是一种(y zhn)电磁波：,光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角,度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；,光线在光纤端面入射角减小到某一角度(jiod)c时，光线全部反射。,只要c，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。,10.1.2 光纤的传光原理(yunl),第四页，共49页。,图,2,光纤导光示意图,1,0,1,A,B,C,n,0,n,2,n,1,d,D,2,0,第五页，共49页。,由斯奈尔（Snell）定律(dngl)：,就能产生全反射。可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质(n1、n2)决定的，与光纤的几何尺寸(ch cun)无关,若满足(mnz),即,第六页，共49页。,入射角的最大值 为：,将sin0定义为光导纤维(un do xin wi)的数值孔径,用NA表示,则,第七页，共49页。,Na意义讨论：,NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2c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(jbin)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。,第八页，共49页。,10.1.3 光纤的种类(zhngli),光纤按纤芯和包层材料的性质分类(fn li)，有玻璃光纤和塑料光纤两类；按折射率分有阶跃型和梯度型二种。,光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模式(msh)来分，可分为多模光纤和单模光纤两类。多模光纤多用于非功能型（NF）光纤传感器；单模光纤多用于功能型（FF）光纤传感器。,第九页，共49页。,由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收(jishu)光纤耦合到光接收(jishu)器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。,光是一种(y zhn)电磁波：,第十页，共49页。,式中 A电场E的振幅矢量；,光波的振动频率(pnl)；,光相位；,t光的传播时间。,可见，只要使光的强度、偏振态（矢量A的方向）、频率(pnl)和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率(pnl)调制或相位调制等进行解调，即可获得所需要的被测量的信息。,第十一页，共49页。,10.2.2 光纤传感器的类型(lixng),光纤传感器一般可分为两大类：一类(y li)是功能型传感器，又称FF型光纤传感器；另一类(y li)是非功能型传感器又称NF型光纤传感器。,第十二页，共49页。,这类传感器利用光纤本身,对外界被测对象具有敏感,能力和检测功能，光纤不,仅起到传光作用，而且在,被测对象作用下，如光强,、相位、偏振(pin zhn)态等,光学特性得到调制，调制后 的信号携带了被测信息。,功能型光纤传感器,第十三页，共49页。,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(chunb)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。,第十四页，共49页。,10.2.3 光纤传感器的发展(fzhn)方向,光纤传感器的发展方向主要(zhyo)有以下几个方面：,以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要(zhyo)研究对象。,集成化光纤传感器。,多功能全光纤控制系统。,充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测系统。,开辟新领域。,第十五页，共49页。,10.3 光纤传感器的调制(tiozh)形式,10.3.1 强度(qingd)调制,光源发射的光经入射光纤传输到传感头，经传感头把光反射到出射光纤，通过出射光纤传输到光电接收器。,传感头又称调制器，通过调制器把被测量的变化转变为光的强度(qingd)变化，即对光强度(qingd)进行调制，光电接收器接收到强度(qingd)变化的光信号，最后解调出被测量的变化。,第十六页，共49页。,输出,I,D,入射光,强度调制,I,D,t,t,光源,出射光,I,S,信号,光探测器,图,4,强度调制原理,I,O,t,I,i,t,10.3 光纤传感器的调制(tiozh)形式,10.3.1 强度(qingd)调制,第十七页，共49页。,10.3.2 偏振(pin zhn)调制,1.普克耳（Pockels）效应(xioyng),当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以(jiy)高压，晶体将呈现双折射现象，这种现象称为普克耳效应。,在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为：,第十八页，共49页。,图5 普克耳效应(xioyng),入射光,正常光,异常光,压电晶体,第十九页，共49页。,2.,法拉第磁光效应,平面偏振光通过带磁性的物体(wt)时，其偏振光面将发生偏转，这种现象称为法拉第磁光效应。,光矢量(shling)旋转角:,式中 V正常光折射率；,L物质(wzh)中的光程；,H磁场强度。,第二十页，共49页。,图,6,法拉第磁光效应,磁场(cchng),偏振光片,磁光材料(cilio),L,检偏片,光源(gungyun),第二十一页，共49页。,3.光弹效应(xioyng),在垂直于光波传播方向(fngxing)施加压力，材料将会产生双折射现象，其强弱正比于应力。这种现象称为光弹效应。,偏振光的相位(xingwi)变化为,式中,k,物质光弹性系数；,P,施加在物体上的压强；,l,光波通过的材料长度。,第二十二页，共49页。,图7 光弹效应实验(shyn)装置,应变材料,F,检偏器,光源,F,起偏器,补偿器,第二十三页，共49页。,10.3.3 频率(pnl)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(gnj)多普勒原理可得,v,P,L,O,1,2,第二十四页，共49页。,10.3.4 相位(xingwi)调制,相位(xingwi)调制的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位(xingwi)变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位(xingwi)变化量，从而得到被测对象的信息。,第二十五页，共49页。,光信号相位的变化 与温度(wnd)变化T的关系为,线膨胀系数(png zhng xsh)；,l光纤的长度；,n/T折射率温度系数；,n纤芯平均折射率；,0自由空间光波长；,/传播常数与纤芯半径的变化率。,第二十六页，共49页。,10.3.5 波长(bchng)调制,波长调制是利用被测量改变光纤中光的波长，再通过检测光波长的变化来测量各种被测量。波长调制的优点是它对引起光纤或连接器的某些器件(qjin)的稳定性不敏感，因此被广泛应用于液体浓度的化学分析、磷光和荧光现象分析、黑体辐射分析及法布里-珀罗等光学滤波器上。其缺点是解调技术较复杂。但采用光学滤波或双波长检测技术后，可使解调技术简化。,第二十七页，共49页。,10.4 光纤传感器的应用(yngyng),例,10.1,光纤温度开关,1,2,3,4,图9 水银柱式光纤温度开关,1 浸液；2 自聚焦透镜(tujng)；3 光纤；4 水银,第二十八页，共49页。,图,10,热双金属式光纤温度开关,1,遮光板；,2,双金属片,接收,光源,1,2,例,2,遮光式光纤温度计,当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而(cng r)使输出光强发生变化。,第二十九页，共49页。,例3 透射(tu sh)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(gun x)可表示为：,半导体材料的Eg随温度的上升而减小，亦即其本征吸收(xshu)波长g随温度的上升而增大。,过量增益,(EG),过量增益（,EG,）,1,是评价传感器工作可靠性的重要指标，它表示接收器接收的光能量能否能使传感器动作，也表示使传感器产生动作所需要最小的光强度。其计算公式如下：,EG=,接收器接收的实际光强度,/,接收器产生的输出门槛值,第三十页，共49页。,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方向移动。若采用发射光谱与半导体的g（t）相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度(qingd)将随,着温度的升高而,减小，即通过检,测透射光的强度(qingd),或透射率，即可,检测温度变化。,相对发光强度,透射率,LED,发光光谱,半导体透射率,T,1,T,2,T,3,T,3,T,1,T,2,波长,图12 半导体透射(tu sh)测量原理,第三十一页，共49页。,光纤,环氧胶,半导体,反射膜,利用半导体的吸收特性制作的光纤温度(wnd)传感器的单端式探头结构如图。光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射后返回，在光路中放入对温度(wnd)敏感的半导体薄片对光进行吸收，则出射光强将随温度(wnd)的变化而变化。,第三十二页，共49页。,例4 膜片反射式光纤压力(yl)传感器,光源,接收,Y,形光纤束,壳体,P,弹性膜片,Y形光纤束的膜片反射型光纤压力(yl)传感器如图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。,第三十三页，共49页。,光纤被夹在一对锯齿板,中间，当光纤不受力时,，光线从光纤中穿过，,没有(mi yu)能量损失。当锯齿,板受外力作用而产生位,移时，光纤则发生许多,微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中.,例5 微弯光纤压力(yl)传感器,微弯光纤压力(yl)传感器,D,S,F,F,变形器,光纤,d,第三十四页，共49页。,原来光束以大于临界角C的角度(jiod)1在纤芯内传输为全反射；但在微弯处21，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或,检测由