传感器 光纤传感器.pptVIP

传感器光纤传感器;

光线传感器与以电为基础的传感器有本质区别。

第二页，共四十六页，2022年，8月28日;光纤传感器的特点:

优点:

不受电磁干扰，可绕曲，耐腐蚀，高绝缘强度，

防爆性好，

灵敏度高，能与数字通信系统兼容等。

被测量范围广:

温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等70多个物理量；

应用领域:

自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面;一、光纤

1、基本原理

1）几何光学的基本定义和定律

光在均匀介质中:直线传播

在两介质1和2的界面上发生:;2）斯乃尔定律（Snell‘sLaw)——折射定律

折射定律:折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射

光线和入射光线位于法线的两侧，

且满足:n1sin1=n2sin2;

光折射示意图;

第七页，共四十六页，2022年，8月28日;

n0sinθ0=n1sinθ1

n1sin1=n2sin2

sinθ0=(n1/n0)sinθ1

sin1=(n2/n1)sin2;θc=arcsinNA

为“数值孔径”NA(NumericalAperture)。

当光线发生全反射时，

290o,则θ0θc=arcsinNA

当290o时，θ0θc=arcsinNA，光线消失。

数值孔径的意义是:无论光源发射功率有多大，只有2θc张角之内的光功率被光纤接受传播。

数值孔径是反映纤芯集光性能的主要参数。;·数值孔径NA对光传输的影响:

·大的数值孔径，有利于耦合效率的提高。

·但数值孔径大，光信号将产生大的“模色散”会

使信号发生严重畸变

?典型的光纤θ≈10°（sin10°=0.175）

?石英光纤的NA＝0.2～0.4;3）光纤的类型

（1）按折射率变化分类

a)阶跃型（stepped）

纤芯与包层之间的折射率是突变的,

b)渐变型（graded）

在纤芯横截面中心处折射率最大其值为n1,由中心向外逐渐变小到与包层交界处折射率n2,

通常折射率变化为抛物线型式,又称为梯度型。;（2）光纤按传输模式分类

a）多模光纤

纤芯直径在50～200μm，光信号在光纤中可多光线传输，以多个模式同时传输，由于模间色散较大，限制了传输数字信号的频率和传输距离。可使用LED光源

b）单模光纤

纤芯直径很小（8～10μm)，只能传输基模(最低阶模)，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。需要用激光源。

现在实用的石英光纤通常有以下三种:

阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤。;Pi、Po－入射端和出射端光功率,

L－光纤长度（km）

一般光纤传感器中的光纤L4m,a10dB/km的光纤均可选用

实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤,此类光纤在1.55μm波长区的损耗可低到0.18dB/km;2）色散

特别在光纤通讯中,色散使

传输的信号脉冲发生畸变,

从而限制了光纤的传输带宽;3）光纤的分布类型

影响光纤传感器灵敏度的有:

光纤束的数量、尺寸和分布,以及每根光纤的数值孔径;

塑料光纤

玻璃光纤;

常规光纤与纱芯光纤

217－纱芯光纤直径

66m

613－纱芯光纤直径42

m;二、光纤传感器

1、光纤传感器分类及其工作原理

A）功能型（元件型）光纤传感器

光纤为敏感元件,光在光纤内受被测

量调制。

此类传感器要求高、成本也高。;利用其他敏感元件感受被测量的变化,

光纤仅作为光传输介质,又称为传光型光纤传感器;2、光调制解调技术

光的调制:将信号叠加到光波上。

调制原理:外界信号可引起光的强度、波

长或频率、相位、偏振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制:

分类:

强度调制型、频率调制型、

相位调制型、偏振调制型;

3、几种常用的光强调制技术

1）微弯调制

光纤的弯曲能够使光从纤芯射入包层而产生损耗。

微弯光纤传感器

敏感元件——变形器。

变形器如一对错开的带锯齿槽的平行板,能引起光纤产生微弯;2）光强度的外调制

·调制环节在外部,光纤只起传光作用。;·工作原理:

根据被测目标表面光反射至接收光纤束的光强度的变