光纤维传感器.pptx
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1、4.4光纤传感器光纤传感器光纤传感优点光纤传感优点:灵灵敏敏度度较较高高;几几何何形形状状具具有有多多方方面面的的适适应应性性,可可以以制制成成任任意意形形状状的的光光纤纤传传感感器器;可可以以制制造造传传感感各各种种不不同同物物理理信信息息(声声、磁磁、温温度度、旋旋转转等等)的的器器件件;可可以以用用于于高高压压、电电气气噪噪声声、高高温温、腐腐蚀蚀、或或其其它它的的恶恶劣劣环境;而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。环境;而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。应应用用:磁磁、声声、压压力力、温温度度、加加速速度度、陀陀螺螺、位位移移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。液面、转矩、光
2、声、电流和应变等物理量的测量。上一页下一页返 回4.4光纤传感器光纤传感器4.4.1光导纤维的结构和导光原理光导纤维的结构和导光原理4.4.2光导纤维的主要参数光导纤维的主要参数4.4.3光纤传感器结构原理光纤传感器结构原理4.4.4光纤传感器的分类光纤传感器的分类4.4.5光纤传感器的特点光纤传感器的特点4.4.6光纤传感器的应用光纤传感器的应用上一页下一页返 回4.4.1 光导纤维的结构和导光原理l圆柱形内芯和包层组成,而且内芯的折射率略圆柱形内芯和包层组成,而且内芯的折射率略大于包层的折射率大于包层的折射率 上一页下一页返 回斯乃尔定理 当光由光密物质出射至光疏物质时,发生折射当光由光密
3、物质出射至光疏物质时,发生折射(a)折射角大于入射角:)折射角大于入射角:(b)临界状态:)临界状态:(c)全反射)全反射:上一页下一页返 回光纤导光光纤导光上一页下一页返 回n0为入射光线为入射光线AB所在空间的折射率,一般皆为空气,故所在空间的折射率,一般皆为空气,故n01上一页下一页返 回当当r=90的临界状态时,的临界状态时,Sini定义为定义为“数值孔径数值孔径”NA(NumericalAperture)相对折射率差相对折射率差arcsinNA是一个临界角,是一个临界角,iarcsinNA,光线进入光纤后都不能传播而在包层消失;,光线进入光纤后都不能传播而在包层消失;iarcsinN
4、A,光线才可以进入光纤被全反射传播。,光线才可以进入光纤被全反射传播。上一页下一页返 回4.4.2 光导纤维的主要参数l1.数值孔径(数值孔径(NA)l2.光纤模式光纤模式l3.传播损耗传播损耗上一页下一页返 回上一页下一页返 回1.数值孔径(数值孔径(NA)l反映纤芯接收光量的多少,标志光纤接收性能。反映纤芯接收光量的多少,标志光纤接收性能。l意意义义:无无论论光光源源发发射射功功率率有有多多大大,只只有有2i张张角角之之内的光功率能被光纤接受传播。内的光功率能被光纤接受传播。大的数值孔径:有利于耦合效率的提高。大的数值孔径:有利于耦合效率的提高。但数值孔径太大,光信号畸变也越严重。但数值孔
5、径太大,光信号畸变也越严重。上一页下一页返 回2.光纤模式光纤模式l光波沿光导纤维传播的途径和方式光波沿光导纤维传播的途径和方式在在光光导导纤纤维维中中传传播播模模式式很很多多对对信信息息的的传传输输是是不不利利的的,导导致致合合成成信信号号的的畸畸变变,因因此此我我们们希希望望模模式数量越少越好。式数量越少越好。阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为 希望希望V小:小:d不能太大,不能太大,n2与与n1之差很小之差很小上一页下一页返 回3.传播损耗传播损耗l损耗原因:损耗原因:光纤纤芯材料的吸收、散射,光纤纤芯材料的吸收、散射,光纤弯曲处的辐射损耗等的影
6、响光纤弯曲处的辐射损耗等的影响 传播损耗(单位为传播损耗(单位为dB)式中式中,I光纤长度;光纤长度;a单位长度的衰减;单位长度的衰减;I0光导纤维输入端光强;光导纤维输入端光强;I光导纤维输出端光强。光导纤维输出端光强。上一页下一页返 回4.4.3 光纤传感器结构原理l把被测量的状态转变为可测的光信号的装置把被测量的状态转变为可测的光信号的装置上一页下一页返 回光受到被测量的调制,已调光经光纤耦合到光接收器,光受到被测量的调制,已调光经光纤耦合到光接收器,使光信号变为电信号,经信号处理系统得到被测量。使光信号变为电信号,经信号处理系统得到被测量。光纤传感器光学测量的基本原理 l光就是一种电磁
7、波,光就是一种电磁波,光的电矢量光的电矢量E被测量调制:被测量调制:光的强度、偏振态(矢量光的强度、偏振态(矢量B的方向)、频率和相位的方向)、频率和相位解调:解调:光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制上一页下一页返 回4.4.4 光纤传感器的分类上一页下一页返 回传感器传感器光学现象光学现象被测量被测量光纤光纤分类分类干干涉涉型型光纤传感器相位调制光纤传感器相位调制干涉(磁致伸缩)干涉(磁致伸缩)干涉(电致伸缩)干涉(电致伸缩)Sagnac效应效应光弹效应光弹效应干涉干涉电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压角速度角速度振动、压力、加速度、位
8、移振动、压力、加速度、位移温度温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa非非干干涉涉型型光纤传感器强度调制光纤传感器强度调制遮光板断光路遮光板断光路半导体透射率的变化半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射振动膜或液晶的反射气体分子吸收气体分子吸收光纤漏泄模光纤漏泄模温度、振动、压力、加速度、位移温度、振动、压力、加速度、位移温度温度温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移振动、压力、位移气体浓度气体浓度液位液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纤传感器偏振调制光纤传感器偏振
9、调制法拉第效应法拉第效应泡克尔斯效应泡克尔斯效应双折射变化双折射变化光弹效应光弹效应电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb光纤传感器频率调制光纤传感器频率调制多普勒效应多普勒效应受激喇曼散射受激喇曼散射光致发光光致发光速度、流速、振动、加速度速度、流速、振动、加速度气体浓度气体浓度温度温度MMMMMMCbb注:注:MM多模光纤;多模光纤;SM单模光纤;单模光纤;PM偏振保持光纤偏振保持光纤光纤传感器的分类l光纤在传感器中的作用光纤在传感器中的作用l光受被测量调制的形式光受被测量调制的形式l光纤传感器中对光信号
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