光纤传感器.ppt

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2022年10月14日,1,新型传感器技术,张认成华侨大学机电及自动化学院,硕士研究生系列课程,2022年10月14日,2,第三章光纤传感器,光纤结构、传光原理、分类光纤传感器调制原理光纤传感器应用举例,2022年10月14日,3,1概述,光导纤维发明于20世纪70年代；起初用于光通信；光纤与激光器、半导体探测器一起构成光电子学新技术；光导纤维传感器始于1977年。

2022年10月14日,4,1.1光纤的结构,芯层：

高折射率,575m,SiO2+ZeO2/P2O5包层：

低折射率,100200m，SiO2B2O3/SiO4加涂层保护层：

尼龙、塑料管光缆：

多根光纤组成,2022年10月14日,5,1.2光纤的传光原理,光由光密物质n1入射到光疏物质n2时，一部分折射，一部分反射。

折射率n1n2Snell定律：

n22,n1c1,2022年10月14日,6,光在光纤中全反射的条件,入射角1大于临界角c,或光纤与轴心线夹角在90oc之内;光线被界面全部反射到光芯内，经多次反射后从光纤的另一端射出。

此即为光纤传光原理180o-2c称为光纤的孔径角，孔径角越大，光纤在入射端面上接收光的范围越大,耦合性能越好。

增大n1n2，能扩大孔径角。

2022年10月14日,7,1.3光纤的分类,按折射率变化分类阶跃光纤：

芯层、包层折射率均匀，光线沿折射传播梯度光纤（自聚焦光纤）：

光纤由中心轴线开始，沿径向折射率按抛物线逐渐递减，光线按近似正弦曲线射传播,2022年10月14日,8,按材料分类,高纯度石英SiO2玻璃纤维光损耗小，1.2um时，光耗0.47dB/km多组分玻璃纤维（常规玻璃）光损耗较小，0.84um时，最低光耗3.4dB/km塑料光纤光损耗大，0.63um时，光耗100-200dB/km但重量轻、成本低、柔性好，适用于短距离导光,2022年10月14日,9,按传输模数分类,单模光纤芯径几微米，接近光的波长；只传输一种模数的光；常用于传感器；频带宽、线性度好、传输性能好；制造、光耦合困难。

多模光纤芯径50um，远大于波长；传输多模数的光；频带窄、性能差;易于制造、耦合；用途广泛。

2022年10月14日,10,2光纤传感器的工作原理,光纤传感器的结构光纤传感器的特点光纤传感器的调制原理,2022年10月14日,11,2.1光纤传感器的结构,结构：

光源入射光纤调制器出射光纤光敏元件,2022年10月14日,12,传光型光纤传感器,又称非功能型光纤传感器（NoneFunctionFilter）光纤仅作为传光的介质，无敏感功能；信号的感应由其它现成的传感器（调制器）完成；光纤不连续，中间接其它敏感元件。

2022年10月14日,13,传感型光纤传感器,又称功能型光纤传感器（FunctionFilter）光纤直接将信号转换为光学量的变化：

力、热、磁光强变化、光相位变化压力、变形波长或频率、偏振方向光纤兼备传光和敏感双重功能，对光纤性能要求高光纤连续，不间断，结构简单。

2022年10月14日,14,2.2光纤传感器特点,传光性能良好，光损耗小,最高0.2dB/km;频带宽、可进行超高速测量；灵敏度、线性好；体积小、重量轻，适应于非接触、远距离、恶劣环境测量。

2022年10月14日,15,2.3光纤传感器的调制原理,强度调制频率调制相位调制,光纤效应,光学量变化,物理量,探测器,2022年10月14日,16,

（1）强度调制,被测量使光纤中光的强度发生变化，由测得的光强求得被测量。

调制方式：

光纤位移、光栅、反射、微弯辐射、斑图等；是最早的光纤调制方法，简单可靠；光纤、连接器、耦合器、光电检测元件、光源等均已商品化。

2022年10月14日,17,强度调制原理,2022年10月14日,18,小位移和角位移光强调制,光纤距离23um入射光纤与出射光纤之一移动，另一固定；测量范围10um.,2022年10月14日,19,开关光强调制膜片驱动：

压力薄膜、热膨胀元件、微位移等,2022年10月14日,20,反射光强调制测量范围100um,2022年10月14日,21,微弯损耗光强度调制,光纤微弯时，部分光投射到包层，出射光强变小，根据出入光强度损耗求被测量；调制量一般为：

应力、压力、加速度等。

微弯光纤压力传感器：

2022年10月14日,22,微压头损失型光纤压力传感器实用的传感器,最小检测量1Pa,2022年10月14日,23,折射率光强度调制液体折射率随温度变化而减小液体温度传感器液体作为包层，芯层折射率保持不变。

2022年10月14日,24,频率/波长调制外界因素改变光纤中光的频率或波长,频率调制光学多普勒效应：

光电接收元件与光源之间有相对运动时，光电元件接收到的光的频率s与光源光的频率不同.s=/（1-v/c）（1+v/c）+v光源与检测器的相对速度c光速流体速度、流量,2022年10月14日,25,光纤多普勒流速测量系统,2022年10月14日,26,波长调制：

热色物质温度颜色波长调制,500nm,2022年10月14日,27,热色溶液波长调制测温原理,热色溶液：

氯化钴的异丙醇溶液；65W钨丝白光源；白光经有色溶液后，用滤光镜检出两波长的散射光；颜色（波长）与温度的关系如图：

500nm（red）800nm处光强D1与温度T无关，常数；650nm（Green）处光强D2有峰值，且与温度T一一对应；T=K*D1D2即为波长调制测温原理,2022年10月14日,28,（3）相位调制外界因素改变光纤中光的相位,光纤光的相位取决于：

光纤波导的物理长度折射率及其分布；波导横向尺寸等。

压力、张力、温度等可改变上述波导参数；相位检测有困难，要用相干技术将相位变化转换为光强变化，进而检测外界信号。

2022年10月14日,29,光集成化压力传感器采用微机械技术的薄膜微型传感器,2022年10月14日,30,相位调制的干涉温度传感器,2022年10月14日,31,3光纤传感器应用举例,微位移测量加速度测量温度测量压力测量,2022年10月14日,32,3.1微位移测量,小位移超高速高精度,2022年10月14日,33,3.2加速度测量,组成：

光学系统顺变柱体（空心弹性体）传感型光纤检测器原理：

加速度使顺变体变形；光纤长度变化光相位变化,2022年10月14日,34,3.3光纤温度测量,3.3光纤压力测量,2022年10月14日,35,3.4工程结构内应力测量,高速公路、桥梁、水坝等内应力；传感光纤直接埋于主体材料中；参考臂不承载，利用干涉技术偏振技术。

2022年10月14日,36,3.5内窥镜,工业用内窥镜1,2022年10月14日,37,工业用内窥镜2,2022年10月14日,38,医用内窥镜,2022年10月14日,39,思考题,使叙述光纤的结构和导光原理。

光纤传感器有哪两大类？

它们之间有何区别？

利用光纤传感器设计一个工业内窥成像系统，根据自己所掌握的知识尽可能详细地设计系统中的各个环节。

2022年10月14日,40,谢谢！