《光传感技术》ppt课件

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1、光电信息技术5光纤传感技术5.1光纤传感技术概述光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。光纤传感器：利用光纤来获取信息和处理信息，将被测量转换成可供处理的信号的器件或装置。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量。光纤传感系统：光载波源（光源）、光信号加载（调制）、光信号传输与光信号检测与处理等几个基本部分。光纤传感的基本原理：当光在光纤中传输时，外界各种物理量（如温度、压力等）对光纤作用

2、，使在光纤中传输光的振幅、相位、偏振态等参量发生变化，这些参数的变化带有被测量的信息，若能测定出这些参量随被测量变化的关系，就能测出所测物理量的大小，这就是利用光纤获取信息的基本原理。光纤传感器产生的背景技术方面：光纤制造技术的提高、光电子技术的发展、半导体光源性能的提高。需求方面：军事应用、渴望把只能在实验室才能实现的高精度光学测量应用到环境恶劣的生产场所、许多关系国计民生的大型结构缺乏可靠的技术进行监测。光纤传感器的特点：频带宽、可进行超高速测量抗电磁干扰，电绝缘灵敏度高、线性好体积小，重量轻，外形可变，适应于非接触、远距离、恶劣环境

3、测量可检测的量多可以实现分布式测量光纤传感的原理光纤效应光学量变化物理量探测器强度调制、频率调制、相位调制强度调制：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。波长调制：热色物质温度颜色波长调制相位调制：外界因素改变光纤中光的相位。光纤中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

4、外界信号。传感器光学现象被测量干涉型相位调制光线传感器干涉（磁致伸缩）、干涉（电致伸缩）、Sagnac效应、光弹效应电流、磁场、电场、电压、角速度、振动、压力、加速度、位移、温度非干涉型强度调制光纤传感器遮光板遮断光路、半导体透射率的变化、荧光辐射、黑体辐射、光纤微弯损耗、振动膜或液晶的反射、气体分子吸收、光纤漏泄模温度、振动、压力、加速度、位移、气体浓度、液位偏振调制光纤传感器法拉第效应、泡克尔斯效应、双折射变化、光弹效应电流、磁场、电场、电压、温度、振动、压力、加速度、位移频率调制光纤传感器多普勒效应、受激喇曼散射、光致发光速度、流速

5、、振动、加速度、气体浓度、温度5.2光传感技术分类根据光纤在传感器中的作用，分为功能型、非功能型和拾光型。1）功能型（全光纤型）光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤（或特殊光纤）作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素（弯曲、相变）的作用下，其光学特性（光强、相位、偏振态等）的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器外界物理量作用于光纤，改变了光纤的传输参数或改变通过光纤的光波，

6、光纤同时完成了传感和传光两种功能。光源探测器入射光波的特征参量：振幅、相位、偏振态、波长等外界物理因素：温度、压力、电场、磁场、电流光纤2）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。此类光纤传感器无需特殊光纤及其它特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤3）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

7、等。信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象根据光受被测对象的调制形式，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、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

8、影响较大。2）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