《光纤式传感器》PPT课件

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1、电气测试技术电气测试技术电子信息与自动化学院贺晓蓉7/18/20211光纤作为远距离传输光波信号的媒质，最初的研究是用于光通信技术中。用于传感器技术始于1977年，至今光纤传感器已日趋成熟。光纤传感器与传统的传感器相比具有许多优点：灵敏度高、电绝缘性能好、结构简单、体积小、重量轻、不受电磁干扰、光路可弯曲、便于实现遥测、耐腐蚀、耐高温等特点。可广泛用于位移、速度、加速度、压力、温度、液位、流量、水声、电流、磁场、放射性射线等物理量测量，发展极为迅速，在制造业、军事、航天、航空、航海和其他科学技术研

2、究中有着广泛的应用。4.9光纤传感器4.9.1概述7/18/20212光纤传感器一般由光源、光纤、光电元件等组成。根据光纤传感器的用途和光纤的类型，对光源一般要提出功率和调制的要求。常用的光源有激光二极管和发光二极管。激光二极管具有亮度高，易调制，尺寸小等优点。而发光二极管具有结构简单和温度对发射功率影响小等优点。除此之外，还有采用白炽灯等作光源。7/18/20213光纤检测型光电传感器作业件检测颜色检测7/18/20214光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。光纤的结构

3、如图所示，它由折射率n1较大(光密介质)的纤芯，和折射率n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。光纤的基本结构与波导4.9.2结构及类型1.结构7/18/202152.分类单模光纤的折射率分布是阶跃型的，但光纤的光学尺寸很小，只能传输单模光波，是一种超宽带光纤；多模光纤能传输数百种模式。按照光从纤芯到包层的折射率的变化规律，光纤可分为阶跃型、渐变型和单模型三种。图4-128光纤的类型7/18/20216物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。1）物性

4、型（功能型）光纤传感器光纤一方面起传输光的作用，另一方面是敏感元件，是靠被测物理量调制或影响光纤的传输特性，把被测物理量的变化转变为调制的光信号。因此光纤具有“传”和“感”的功能。光纤的输出端采用光电器件，所接受的光信号便是被测量调制后的信号，并使之转变为电信号。此类传感器的优点是结构紧凑、灵敏度高，但是，它需用特殊光纤和先进的检测技术，因此成本高。其典型例子如光纤陀螺、光纤水听器等。按照光的作用分类信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器7/18/20217图所示为施加均衡压力和施加点压力的两种光纤

5、压力传感器形式。图(a)所示为光纤在均衡压力作用下，由于光弹性效应而引起光纤折射率、形状和尺寸的变化，从而导致光纤传播光的相位变化和偏振面旋转;图(b)所示为光纤在点压力作用下，引起光纤局部变形，使光纤由于折射率不连续变化导致传播光散乱而增加损耗，从而引起光振幅变化。在光纤的输出端采用适当的光电检测元件检出光强的变化，就可以制作温度、压力、振动、位移等传感器。强度调制7/18/20218结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传

6、光型或非功能型光纤传感器。2）结构型（非功能型）光纤传感器在非功能型传感器中，光纤不是敏感元件，即只“传”不“感”。它是利用在光纤的端面或在两根光纤中间，放置光学材料及机械式或光学式的敏感元件，感受被测物理量的变化。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低，但灵敏度也较低，应用于对灵敏度要求不太高的场合。目前，已实用化或尚在研制中的光纤传感器，大都是非功能型的。信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤7/18/202193）拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或

7、被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象7/18/202110分为：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。1）强度调制型光纤传感器是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、

8、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点：结构简单、容易实现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。根据光受被测对象的调制形式7/18/2021112）偏振调制光纤传感器是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源