光电检测技术与应用光纤传感技术与系统.pptx
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1、光纤传感技术与系统光纤传感技术与系统光纤光纤是是20世纪后半叶的世纪后半叶的重要发明之一。重要发明之一。光纤、激光器、半导体光电探测器光纤、激光器、半导体光电探测器构成光电子学新领域。构成光电子学新领域。世界光纤之父高锟世界光纤之父高锟英籍、美籍华人,世界著名光纤专家,原香港中文大学校长,英籍、美籍华人,世界著名光纤专家,原香港中文大学校长,1996年当选为中国科学院外籍院士,中国科学院紫金山天文台将一颗小行星年当选为中国科学院外籍院士,中国科学院紫金山天文台将一颗小行星命名为命名为“高锟星高锟星”。2009年诺贝尔奖获得者,克服疾病参加领奖会,免年诺贝尔奖获得者,克服疾病参加领奖会,免除仪式
2、。除仪式。中国光纤之父赵梓森院士,中国光谷在武汉中国光纤之父赵梓森院士,中国光谷在武汉高锟高锟赵梓森赵梓森1 1 概述概述 光纤:光纤:是是光导纤维光导纤维简称,是用光简称,是用光透射率高透射率高的介质构成的的介质构成的光通路光通路。微细的光纤封装在微细的光纤封装在塑料护套塑料护套中,能够弯曲不断裂。通常光纤一端的中,能够弯曲不断裂。通常光纤一端的发发射射装置使用装置使用发光二极管(发光二极管(LEDLED)或一束或一束激光激光将光脉冲传送至光纤,光纤另一将光脉冲传送至光纤,光纤另一端的端的接收接收装置为装置为光敏元件光敏元件。光波导:光波导:将以将以光光的形式出现的电磁波能量,利用的形式出现
3、的电磁波能量,利用全反射全反射的原理,的原理,约束并引导约束并引导光光波在光纤波在光纤内部或表面内部或表面附近沿光光纤的附近沿光光纤的轴线轴线方向传播。方向传播。光纤的制作:光纤的制作:先在高温下做成先在高温下做成预制棒预制棒,然后在高温炉中,然后在高温炉中加温软化加温软化,拉成长丝拉成长丝,再进,再进行行涂覆涂覆、套塑套塑,成为光纤芯线。,成为光纤芯线。光纤的用途:光纤的用途:光纤通信光纤通信光纤光纤传感传感光纤光纤照明照明1 1 概述概述光纤传感器是传感技术发展的一个主导方向。光纤传感器是传感技术发展的一个主导方向。光纤传感器:光纤传感器:当光纤受到外界环境因素的影响,如温度、压力、电场、
4、当光纤受到外界环境因素的影响,如温度、压力、电场、磁场等条件变化时,光纤的传输特性将随之改变,且二者之间磁场等条件变化时,光纤的传输特性将随之改变,且二者之间存在一定的对应关系,由此研制出光纤传感器。存在一定的对应关系,由此研制出光纤传感器。优点:优点:灵敏度和精度极高,安全性好,抗电磁干扰能力强,灵敏度和精度极高,安全性好,抗电磁干扰能力强,绝缘强度高,耐高温、耐腐蚀性好,轻质、柔韧、宽频带,易绝缘强度高,耐高温、耐腐蚀性好,轻质、柔韧、宽频带,易集成为光纤系统。集成为光纤系统。应用:应用:可以测量声场、磁场、压力、温度、加速度、转动可以测量声场、磁场、压力、温度、加速度、转动(陀螺陀螺)、
5、位移、液位、流量、电流、辐射等、位移、液位、流量、电流、辐射等1 1 概述概述2.1 光纤光纤的结构和分类的结构和分类一、光纤的结构一、光纤的结构(纤芯、包层、涂覆层)(纤芯、包层、涂覆层)纤芯:纤芯:高透明材料;高透明材料;包层:包层:折射率略小于纤芯折射率略小于纤芯,形成光波导效应,使大部分光电磁场被,形成光波导效应,使大部分光电磁场被束束缚在纤芯中传输缚在纤芯中传输;涂覆层:涂覆层:保护光纤保护光纤不受水汽不受水汽侵蚀和侵蚀和机械机械擦擦伤,又增加光纤的柔韧。伤,又增加光纤的柔韧。在涂覆层外,往往加在涂覆层外,往往加油塑料外套油塑料外套。2 光纤光纤的传输理论的传输理论包层包层 涂覆层涂
6、覆层纤芯纤芯纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层护套护套光纤的导光能力:光纤的导光能力:取决于纤芯和包层的性质。取决于纤芯和包层的性质。光纤的机械强度:光纤的机械强度:取决于塑料保护外套。取决于塑料保护外套。包层包层 涂覆层涂覆层纤芯纤芯纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层护套护套二、光纤的分类二、光纤的分类 按光纤的原材料分为四类:按光纤的原材料分为四类:(1)石英系光纤:石英系光纤:纤芯和包层由纤芯和包层由高纯度高纯度sio2掺杂制成;掺杂制成;光耗光耗最低最低、强度和可靠性最高、强度和可靠性最高、应用最广泛、价格最高应用最广泛、价格最高。(2)多组分玻璃纤维:多组分玻璃纤维:光纤由光纤由钠玻璃钠玻璃掺杂
7、制成;掺杂制成;光损较低,可靠性偏低。光损较低,可靠性偏低。(3)塑料包层光纤:塑料包层光纤:纤芯是纤芯是石英石英,包层是,包层是硅树脂硅树脂;(4)全塑光纤:全塑光纤:纤芯和包层由纤芯和包层由塑料塑料制成;价格低、光损大、可靠性低。制成;价格低、光损大、可靠性低。根据光纤截面上根据光纤截面上折射率分布折射率分布分为两类:分为两类:(1)阶跃型光纤阶跃型光纤(阶跃折射率光纤)(阶跃折射率光纤)纤芯的折射率纤芯的折射率分布均匀分布均匀,在纤芯和包层的界面上,在纤芯和包层的界面上折射率发生突变折射率发生突变,光线,光线行进轨迹呈行进轨迹呈锯齿形锯齿形。(2)渐变型光纤渐变型光纤(梯度型光纤)(梯度
8、型光纤)纤芯的折射率从纤芯的折射率从芯中芯中至至芯边缘芯边缘按抛物线按抛物线减小减小,包层的折射率是,包层的折射率是常数常数,光线行进轨迹呈光线行进轨迹呈蛇形蛇形。根据光纤中光传播模式的数量分为两类:根据光纤中光传播模式的数量分为两类:(1)多模光纤:多模光纤:芯的直径芯的直径15m50m。工作波长工作波长传播模式为多个模式传播模式为多个模式的光纤。的光纤。(2)单模光纤:单模光纤:芯的直径为芯的直径为8m10m。工作波长,工作波长,只能传输一个传播模式只能传输一个传播模式的光纤,是应用的光纤,是应用最广泛最广泛的光纤。的光纤。2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质一、光的传
9、输一、光的传输全反射现象:全反射现象:当当光光线线由由光光密密媒媒质质(折折射射率率n1)射射入入光光疏疏媒媒质质(折折射射率率n2,n1n2)时时,若若入入射射角角大大于于等等于于临临界界角角f fsin1(n2/n1),在在媒媒质质界界面面上上会会发发生生全全反反射射现现象。象。c cmaxmax光按直线传播,在光按直线传播,在纤芯纤芯和和包层包层的的界面界面上光发生反射。上光发生反射。包层的折射率包层的折射率n n2 2小于小于纤芯的折射率纤芯的折射率n n1 1,存在着,存在着临界角临界角c c。光线在界面上入射角光线在界面上入射角大于大于c c时,发生时,发生全反射全反射现象。现象。
10、如如小于小于c c,入射光有一部分反射,另一部分,入射光有一部分反射,另一部分通过界面进入通过界面进入包层包层,经过,经过多次反射,多次反射,光能量很快衰减光能量很快衰减。只有满足全反射条件的光线才能携带能量传向远方。只有满足全反射条件的光线才能携带能量传向远方。c=sin 1(n2/n1)光在光纤中传播:光在光纤中传播:2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质二、光纤的主要参数1.数值孔径数值孔径 光光从从空空气气入入射射到到光光纤纤输输入入端端面面时时,处处在在某某一一角角锥锥内内的的光光线线进进入入光光纤纤后后,就被截留在纤芯中,此就被截留在纤芯中,此光锥半角光锥半角(q
11、 qC)的正弦称为数值孔径的正弦称为数值孔径。数数值值孔孔径径NA是是光光纤纤的的一一个个基基本本参参数数,反反映映了了光光纤纤与与光光源源或或探探测测器器等等元元件耦合时的件耦合时的耦合效率耦合效率,只有入射光处于,只有入射光处于2q qC的光锥的光锥内内,光纤才能导光。光纤才能导光。一一般般希希望望有有大大的的数数值值孔孔径径,这这有有利利于于耦耦合合效效率率的的提提高高,但但数数值值孔孔径径过过大,会造成光信号畸变。大,会造成光信号畸变。2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质 NA与与光光纤纤的的几几何何尺尺寸寸无无关关,仅仅与与纤纤芯芯和和包包层层的的折折射射率率有有
12、关关,纤纤芯芯和和包包层层的的折折射射率率差差别别越越大大,数数值值孔孔径径就就越越大大,光光纤纤的的集光能力就越强集光能力就越强。石英光纤的石英光纤的NA0.20.4。数值孔径数值孔径NA2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质2.光纤的传输模式光纤的传输模式 光光纤纤中中每每一一个个允允许许传传播播的的波波称称为为一一个个模模,某某种种光光纤纤只只能能传传输输特特定定模模数的光。数的光。光纤传输模数的参数光纤传输模数的参数n n:由纤芯半径由纤芯半径r、传输光波长传输光波长l l及光纤的数值孔径及光纤的数值孔径NA确定。确定。n n值值小小于于2.41的的光光纤纤,纤纤芯芯
13、很很细细(5 m mm10 m mm),仅仅能能传传输输基基模模,故故称称为为单模单模光纤。光纤。n n值值大大的的光光纤纤传传输输的的模模数数多多,称称为为多多模模光光纤纤,通通常常纤纤芯芯直直径径较较粗粗(几几十十m mm以上以上),能传输几百个以上的模。,能传输几百个以上的模。2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质(1)单模光纤单模光纤 光光纤纤传传输输性性能能好好,常常用用于于功功能能型型光光纤纤传传感感器器,制制成成的的传传感感器器比比多多模模传传感感器器有有更更好好的的线线性性、更更高高的的灵灵敏敏度度和和动动态态测测量量范范围围。但由于纤芯太小,但由于纤芯太小,
14、制造、连接和耦合都很困难。制造、连接和耦合都很困难。(2)多模光纤多模光纤 光光纤纤性性能能较较差差。但但纤纤芯芯截截面面大大,容容易易制制造造,连连接接耦耦合合也也比比较方便。较方便。常用于非功能型光纤传感器常用于非功能型光纤传感器。2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质3.传输损耗传输损耗 光光波波在在光光纤纤中中传传输输,随随着着传传输输距距离离的的增增加加,光光功功率率逐逐渐渐下下降降,这这就就是是光纤的传输损耗。光纤的传输损耗。形形成成光光纤纤损损耗耗的的原原因因很很多多,光光纤纤纤纤芯芯材材料料的的吸吸收收、散散射射,光光纤纤弯弯曲曲处处的的辐辐射射损损耗耗,光光
15、纤纤与与光光源源的的耦耦合合损损耗耗,光光纤纤之之间间的的连连接接损损耗耗等等,都都会会造造成光信号在光纤中的传播有一定程度的损耗。成光信号在光纤中的传播有一定程度的损耗。通常用衰减率通常用衰减率 表示传播损耗。表示传播损耗。2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质 光纤的损耗对传输系统的光纤的损耗对传输系统的中继距离中继距离影响很大。影响很大。通常采用通常采用加大输入光强加大输入光强来补偿光纤损耗。来补偿光纤损耗。固有损耗:固有损耗:难以消除难以消除 源于源于石英材料石英材料的本征吸收和瑞利散射,这限制了光纤的本征吸收和瑞利散射,这限制了光纤的最小损耗;的最小损耗;非固有损耗
16、:非固有损耗:可以减小可以减小 源于因材料、工艺引起的杂质吸收和光纤弯曲,通过提源于因材料、工艺引起的杂质吸收和光纤弯曲,通过提纯材料、改善工艺和精心设计、制作来减小损耗。纯材料、改善工艺和精心设计、制作来减小损耗。有的光纤传感器就是利用有的光纤传感器就是利用被测量被测量的变化引起光纤损耗,通的变化引起光纤损耗,通过光纤光强的变化进行精密测量。过光纤光强的变化进行精密测量。光纤的损耗机理分为两种:光纤的损耗机理分为两种:2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质4.色散色散 光光纤纤的的色色散散是是由由于于光光信信号号中中的的不不同同频频率率成成分分或或不不同同的的模模式式,在在
17、光光纤纤中中传传输时,输时,由于速度不同而使得传播时间不同由于速度不同而使得传播时间不同,从而产生,从而产生波形畸变波形畸变的现象。的现象。当当输输入入光光束束是是光光脉脉冲冲时时,随随着着光光的的传传输输,光光脉脉冲冲的的宽宽度度可可被被展展宽宽,如如果果光脉冲变得太宽以致发生重叠或完全吻合,施加在光束上的信息就会丧失。光脉冲变得太宽以致发生重叠或完全吻合,施加在光束上的信息就会丧失。光纤中产生的脉冲展宽现象称为色散。光纤中产生的脉冲展宽现象称为色散。2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质光纤的色散分为三种:光纤的色散分为三种:材料色散:材料色散:因光纤的因光纤的折射率随波
18、长变化折射率随波长变化产生的。产生的。结构色散:结构色散:由光纤的由光纤的几何结构几何结构决定的色散,它是模式本身的色散。决定的色散,它是模式本身的色散。模式色散:模式色散:多模式传输下,因多模式传输下,因模式不同模式不同引起的色散。引起的色散。2.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质常用光纤类型及参数常用光纤类型及参数类类 型型折射率分布折射率分布纤芯直径纤芯直径/m mm包层直径包层直径/mm数值孔径数值孔径单单 模模28801250.100.15多模阶跃光纤多模阶跃光纤(玻璃玻璃)802001002500.10.3多模阶跃光纤多模阶跃光纤(玻璃玻璃/塑料塑料)200100
19、023012500.180.50多模梯度光纤多模梯度光纤501001251500.10.22.2 2.2 光纤中光的传输及性质光纤中光的传输及性质一、光纤传感技术的分类一、光纤传感技术的分类(1)功能型)功能型(传感型光纤传感器)传感型光纤传感器)光纤既感知信息,又传输信息。光纤既感知信息,又传输信息。主要使用单模光纤,主要使用单模光纤,改变光纤的几何尺寸和材料性质可以改善灵改变光纤的几何尺寸和材料性质可以改善灵敏度。敏度。3 光光纤传感原理纤传感原理光纤光纤敏感敏感元件元件光源光源光源光源光纤光纤光电元件光电元件光电元件光电元件测测量量对对象象测测量量对对象象 功功能能型型光光纤纤是是连连续
20、续的的,结结构构比比较较简简单单,但但为为了了能能够够灵灵敏敏地地感感受受外外界界因素的变化,需要用因素的变化,需要用特种光纤作探头特种光纤作探头,使得制造比较困难。,使得制造比较困难。(2)非功能型:非功能型:光纤光纤仅起传输信息仅起传输信息的作用,的作用,利用在两根光纤中间或光纤端面放置利用在两根光纤中间或光纤端面放置敏感元件敏感元件,来感受被测量的变化。,来感受被测量的变化。光纤光纤敏感敏感元件元件光源光源光源光源光纤光纤光电元件光电元件光电元件光电元件测测量量对对象象测测量量对对象象光纤光纤光纤光纤敏感元件敏感元件光源光源光电元件光电元件光电元件光电元件测测量量对对象象测测量量对对象象
21、 非非功功能能型型光光纤纤传传感感器器可可以以充充分分利利用用现现有有的的性性能能优优良良的的敏敏感感元元件件来来提提高高灵灵敏敏度度。为为了了获获得得较较大大的的受受光光量量和和传传输输光光的的功功率率,这这类类传传感感器器使使用用的的光纤主要是数值孔径和芯径较大的阶跃型光纤主要是数值孔径和芯径较大的阶跃型多模光纤多模光纤。探针型光纤传感器:探针型光纤传感器:是是非非功功能能型型光光纤纤传传感感器器,不不需需要要外外加加敏敏感感元元件件。光光纤纤把把测测量量对对象象辐辐射射或反射、散射的光信号传播到光电元件。或反射、散射的光信号传播到光电元件。使使用用单单模模光光纤纤或或多多模模光光纤纤。典
22、典型型的的例例子子有有光光纤纤激激光光多多普普勒勒速速度度传传感感器器和光纤辐射温度传感器等。和光纤辐射温度传感器等。光纤光纤光纤光纤敏感元件敏感元件光源光源光电元件光电元件光电元件光电元件测测量量对对象象测测量量对对象象3.2 光光纤传感检测系统的器件纤传感检测系统的器件1.非相干光源非相干光源(1)热光源:热光源:物质的热辐射,结构简单、使用方便、物质的热辐射,结构简单、使用方便、连续光谱连续光谱。(2)气体放电光源:气体放电光源:光谱不连续光谱不连续、高强度、短波长。、高强度、短波长。(3)发光二极管:发光二极管:可靠性较高、连续可靠性较高、连续工作时间长、光功率工作时间长、光功率电流线
23、性度好。电流线性度好。一、光纤传感器的常用光源一、光纤传感器的常用光源 分分为为相相干干光光源源(各各种种激激光光器器)和和非非相相干干光光源源(白白炽炽光光、发发光光二二极极管管)。实实际际中中,一一般般要要求求光光源源的的尺尺寸寸小小、发发光光面面积积大大、波波长长合合适适、足足够够亮亮、稳稳定定性性好好、噪声小、寿命长、安装方便等。噪声小、寿命长、安装方便等。2.相干光源相干光源激光良好的单色性、方向性、相干性及高亮度。激光良好的单色性、方向性、相干性及高亮度。(1)固体激光器:固体激光器:用于测量用于测量吸收光谱吸收光谱。(2)液体激光器:液体激光器:因使用不方便,在光纤传感领域很少使
24、用。因使用不方便,在光纤传感领域很少使用。(3)气体激光器:气体激光器:氦氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、氦分子激光器。氦氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、氦分子激光器。(4)半导体激光二极管:半导体激光二极管:应用广泛,发光原理与发光二极管相似,应用广泛,发光原理与发光二极管相似,输出光由非相干光变为了相干输出光由非相干光变为了相干光光。(5)光纤激光器:光纤激光器:与光纤耦合好,与光纤器件兼容,能进行全光纤测试。与光纤耦合好,与光纤器件兼容,能进行全光纤测试。3.2 光光纤传感检测系统的器件纤传感检测系统的器件光探测器光探测器 包包括括光光敏敏二二极极管管、光光敏敏三三极极管
25、管、光光电电倍倍增增管管、光光电电池池等等。光光探探测测器器在在光光纤纤传传感感器器中中有有着着十十分分重重要要的的地地位位,它它的的灵灵敏敏度度、带带宽宽等等参参数数将将直直接接影响传感器的总体性能。影响传感器的总体性能。3.2 光光纤传感检测系统的器件纤传感检测系统的器件二、光纤传感检测系统的无源器件二、光纤传感检测系统的无源器件1.光纤连接器光纤连接器 是是光纤之间可拆卸(活动)连接光纤之间可拆卸(活动)连接的器件。的器件。用于光纤线路与光发射机、光接收机及无源器件之间的用于光纤线路与光发射机、光接收机及无源器件之间的连接连接。光纤连接器会引入光纤连接器会引入插入损耗插入损耗,影响传输性
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