传感与测试技术 教学课件 作者 978-7-302-28748-3 第3章-常用传感器3.5光纤式.ppt

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1、常用传感器传感器定义、组成及分类电参量型传感器电量型传感器光电式传感器光纤传感器数字式传感器2021/10/81光纤传感器(FiberopticSensor)是光电传感器的一种，它是利用被测量对光纤内传输的光波进行调制，使光波的一些参数，如强度、频率、波长、相位、偏振态等特性产生变化的原理进行工作的。区别于常规光电传感器(上节所述)的是，光纤传感器中光传输的媒介是固体——光导纤维，即光纤，这是光纤传感器的显著特征。换句话说，凡是以光纤作为光传输媒介的光电传感器都称为光纤传感器。光纤传感器2021/10/82光纤的结构及其传光原理光纤传

2、感器工作原理光纤传感器的应用光纤传感器传统传感器：机械量→电信号（载体）（用导线输送电信号）光纤传感器：机械量→光信号（载体）（用光纤输送光信号）传统电测传感器与光电式传感器的区别：2021/10/83光的全反射原理折射定律：光纤的结构及其传光原理全反射现象：当光线由光密介质1射向光疏介质2（即n1>n2）时，当入射角θ1大于临界角θc时，光线在界面处发生全反射。光的折射光的折射与全反射全反射2021/10/84光纤的结构及传光原理光纤是光导纤维的简称。实用光纤是一种三层介质的对称圆柱体，它是由纤芯、包层和保护层三层结构组成。内外分三

3、层，折射率分别为：n1，n2，n3。光纤的结构及其传光原理n1n2n3光纤的结构折射率数值关系为：①n1>n2—确保能够实现全反射；②n3>>n2—防止外界干扰（n2、n3界面尽量实现全反射）。这样的结构确保了进入光纤的光波集中在芯子内传输。2021/10/85光纤的结构及传光原理数值孔径：光线自光纤端部外界空气n0入射，通常将从外界入射光临界角的正弦值sinθic定义为光纤的“数值孔径”，用NA来表示。光纤的结构及其传光原理θicn1n0n2n3图3.90光纤的传光原理θ12θic数值孔径是衡量光纤集光性能的主要参数，此值越大，光纤

4、的集光能力越强，光纤与光源之间的耦合效率越高。数值孔径NA由光纤材料的折射率决定，而与光纤的几何尺寸无关。入射光与光纤轴向的夹角不大于θic，或者入射角的张角不大于2θic时，入射光才能在光纤中传播。2021/10/86光纤的分类根据组成纤芯和包层的材料不同可分为：玻璃光纤和塑料光纤两大类。按照纤芯折射率的径向分布情况可分为：阶跃型光纤和梯度型光纤。阶跃型：光纤纤芯的折射率不随半径而变，但在纤芯与包层界面处折射率有突变。光纤的结构及其传光原理梯度型：光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外由大渐小，在界面处与包层折射率一致。2021/10/8

5、7光纤的分类按传播模式可分为：单模光纤和多模光纤。单模光纤：芯径和折射率差小，纤芯尺寸小。单模光纤的传输性能好，信号畸变小，信息容量大，线性好，灵敏度高，多用于传感型(功能型，FF)光纤传感器；多模光纤：芯径和折射率差都大，纤芯截面大。这类光纤的性能较差，输出波形和输入波形有较大差异，多用于传光型(非功能型，NF)光纤传感器。光纤的结构及其传光原理2021/10/88光纤的主要参数数值孔径：光纤模式：能形成驻波的光线组称为“模”，“模”是离散存在的，某种光纤只能传输特定模数的光。可分为单模光纤和多模光纤。传输损耗：光波在光纤中传输，随

6、着传输距离的增加，而光功率逐渐下降，这是光纤的传输损耗，如光纤纤芯材料的吸收、散射以及光纤弯曲处的辐射损耗等。色散：所谓光纤的色散就是输入光脉冲在光纤中传输过程中，由于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。光纤色散可分为材料色散、波导色散、多模色散。光纤的结构及其传光原理2021/10/89光纤传感器的组成：光纤传感器通常由光源、光调制器、光探测器、信号处理系统和光纤组成。光纤传感器工作原理光源光调制器信号处理光探测器入射光纤出射光纤图3.92光纤传感器的组成被测体或人造光源光纤本身或外置光调制器各种光探测器件2021/10/810光

7、纤传感器的分类：根据光纤在光纤传感器中的作用，光纤传感器一般可分为：传光型(非功能型，NF)和传感型(功能型，FF)光纤传感器两大类。传光型光纤传感器传感器中的光纤只是光传播的媒介，利用其他敏感元件感受被测量的变化，也称为非功能型光纤传感器。如：光纤（轴向）位移传感器光纤传感器工作原理xU0ABxmxp(b)输出电压与轴向位移关系(a)原理结构位移发射光锥面接收光锥面光纤光源光敏元件光纤（径向）位移传感器2021/10/811光纤传感器的分类：传感型光纤传感器传感器中的光纤，一方面是导光媒介，起着传输光波的作用，另一方面又是光调制器，

8、即光的敏感元件，实现被测量对光的调制，又称为功能型光纤传感器。如：光纤压力传感器（光纤微位移传感器）光纤传感器工作原理折射率调制光纤温度传感器用易溶的硅铜作纤芯材料，当温度变化时，折射率发生变化，x光纤2021/10/8