现在测量技术-光纤传感器ppt课件.ppt

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1、7.1光纤传感器(FOS，FiberOpticalSensor)第7章现代测试技术课程《实验》1.光纤导光的基本原理1).光纤结构7.1.1.光纤的基本概念250um裸光纤125μm2－3mm高锟2009诺贝尔物理学奖2).菲涅尔折射定理（Snell‘sLaw）n1n2θrθi(a)光的折射示意图n1sinθi=n2sinθrn1n2θrθi(b)临界状态示意图n1n2θrθi(c)光全反射示意图sinθi0=n2/n1θi>θi0光由光密物质入射至光疏物质时，当n1＞n2，有θr＞θi3).数值孔径NA(NumericalA

2、perture,NA)θjθiθkθrABCDEFK00n0n2n1光纤导光示意图Gn0—空气折射率n1—纤芯折射率n2—包层折射率arcsin(NA)是一临界角,凡入射角θi＞arcsin(NA)的光线进入光纤都不能传播而在包层消失；只有入射角θi

3、的光用激光做光源可传多种模式的光，耦合器及接线器按传榆模数分类按材料分类高纯度石英玻璃纤维——通信光纤低纯度玻璃光纤、塑料光纤——医用、照明按用途分类通信光纤（SiO2）非通信光纤（低纯度玻璃、塑料）2.光纤分类7.1.2.光纤传感器光纤信号处理系统光接收器敏感元件光发送器光纤传感器1.光纤传感器构成把被测量转变为可测的光信号的装置。根据光纤在传感器中作用：本征型、非本征型2.光纤传感器分类信号处理光接收器敏感元件光发送器光纤非本征型（传光型）传导信号处理光接收器光纤光发送器本征型（传感型）传导+传感3.工作原理来自光源的光经

4、光纤送入调制器，使待测参数与输入调制区的光相互作用，导致光某些特性(强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制信号光，再经光纤送入光探测器，经解调器解调获得被测参数。调制器入射光纤出射光纤光源输出强度调制相位调制频率调制偏振态调制波长调制光的波动方程：根据光受被测对象的调制形式1）强度调制利用被测量变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强变化实现敏感测量的传感器。小位移调制、微弯损耗光强调制、吸收特性强度调制2）偏振调制-法拉第磁光效应、双折射效应3）频率调制-喇曼、多普勒效应、光致发光4）相位

5、调制-磁致伸缩、电致伸缩、光弹效应5）波长调制-多点测量,解调技术复杂4.光纤传感器优点：灵敏度高，um级，波长调制－nm；体积小，外径250um，埋入测量；耐腐蚀，表面涂层是高分子材料，健康监测；抗电磁干扰，光在纤芯中传输；分布式或准分布式测量，多点或多参数测量；指标强度型相位型光栅（波长)精度低较高高加工工艺简单复杂较复杂成本低高较低技术成熟性成熟较成熟成熟可否分布测量(成网)可以不可以嵌入性（兼容性）可以较难很好线性度一般一般很好变形能力好差好性能稳定较好较好好耐久性好较好好监测参数多少多响应频率带宽宽窄宽信号解调设备简

6、单复杂复杂三种光纤传感器定性比较结论：光纤光栅是局部监测的最佳选择光纤光栅传感器优点：准分布式测量，多参数测量探头尺寸小，直径与光纤等同波长调制，抗干扰能力强耐久性好，退火，15年传感传输一体，易于构成网络单根光纤单端检测，减少传输线。。。。。。7.1.3.光纤光栅传感器1.基本概念定义：是一段纤芯的折射率呈周期性变化的光纤。功能：相当于一个窄带反射镜，只反射某一波长附近的光，其他光无损耗通过。分类：Bragg光栅、长周期光栅、啁啾光栅˄Bragg光栅（反射光栅，短周期光栅）长周期光栅（透射光栅），周期为几十至几百μm啁啾光栅

7、，周期不是常数分类：Bragg光栅、长周期光栅、啁啾光栅光束1光束2布拉格光栅结构包层纤芯单模掺锗（硅）光纤经紫外光照射成栅技术形成。成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹。2光纤Bragg光栅的成栅方法双光束干涉写入技术相位掩膜写入技术直接写入技术在线成栅技术光敏性：在244nm紫外光照射下，光纤折射率随光强发生永久变化的特性。（1）FBG传感器基本原理当一宽谱光源入射光纤Bragg光栅时，光栅将反射以布喇格波长λB为中心波长的窄谱分量，其他的光透射。3.Bragg光栅(FiberBraggGrating,FBG)纤芯包层

8、折射率n2有效折射率neffΛ光栅周期折射率n1透射入射反射应变、温度的变化会引起FBG的周期(Λ)和有效折射率变化（neff），从而使FBG的反射波长变化。FBG传感器通过测量布拉格波长的漂移实现对被测量检测。两边微分应变、温度的变化会引起FBG的周期(Λ)和有效折射率变化