《现代传感技术》PPT课件.ppt

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1、第五章光纤传感技术本章按光纤传感技术的调制方式分类，分别讲述强度调制、相位调制、波长调制、偏振调制和频率调制光纤传感技术的工作原理，并介绍一些相应的实用光纤传感器；此外，还简要介绍了近几年光纤传感技术领域的研究热点。光纤传感技术5.1光纤的基础知识5.2强度调制型光纤传感器5.3相位调制型光纤传感器5.4波长调制型光纤传感器5.5偏振调制型光纤传感器5.6频率调制型光纤传感器5.7光子晶体光纤传感器5.8分布式光纤传感器光纤的基础知识光纤传感器工作的实质是通过光调制器，将一个携带着待测信息（被测对象）的信号叠加到载波光波上，经光

2、纤传输后由光探测系统解调、经信号处理系统处理后检测出所需要的待测信号。而光调制器能使光纤的传输参数或载波光波参数随待测信号的变化而改变。这些参数包括：光纤的折射率、传播常数、光波的强度（振幅）、位相、频率、偏振以及波长等。光纤的基础知识1.光纤波导的原理图5‑1当光线从较高折射率介质向较低折射率介质传播时，在界面处的折射和反射图5‑2具有包层的纤维光纤的基础知识2.光纤的分类根据光纤能传输的模式数目单模光纤多模光纤根据纤芯径向折射率分布不同阶跃折射率光纤渐变折射率光纤光纤的基础知识3.光纤的特性光纤的特性主要包括传输特性、物理特

3、性、化学特性和几何特性等。传输特性衰减衰减是描述光纤使光能在传输过程中沿着波导逐渐减小或消失的特性。在给定信号和工作条件下，光纤的衰减决定信号无失真传输通路的最大距离。色散色散限制了光纤传输频响的上限。色散引起的脉冲展宽限制了脉冲调制或数据传输系统中给定长度光纤的最高脉冲或数据传输速度。光纤的基础知识3.光纤的特性光纤的特性主要包括传输特性、物理特性、化学特性和几何特性等。物理特性（1）弯曲性光纤的弯曲性与光纤的机械强度有关。（2）抗拉强度（3）硬度（4）耐热性（5）热膨胀系数（6）电绝缘性能光纤的基础知识3.光纤的特性光纤的特

4、性主要包括传输特性、物理特性、化学特性和几何特性等。化学特性（1）耐水性（2）耐酸性几何特性标准规定光纤为圆对称结构，因此表征光纤几何特性的参数是纤芯直径包层直径纤芯的圆度包层的圆度纤芯与包层的同心度误差强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器的基本原理可以概括为：通过检测被测对象所引起的光强变化，来实现对被测对象的监测和控制。其基本结构主要由光源、调制区、光探测器三大部分组成。强度调制型光纤传感器的特点是：技术上比较容易实现，所采用光纤多为光通信用多模光纤，而相关的光纤接头和耦合器等部件，国内已有产品供应。强度调制分为非功能型

5、光强调制功能型光强调制非功能型光强调制非功能型光强调制的基本原理是根据光束位移、遮挡、耦合及其他物理效应，通过一定的方式使进入接收光纤的光强随外界信号变化而改变。基本调制方式大致可分为4种类型：光束切割型光闸型松耦合型物理效应型非功能型光强调制光束切割型光强调制图5‑4光束切割型光纤位移传感器简图非功能型光强调制遮光型光强调制图5‑6移动光栅式光纤压力传感器非功能型光强调制松耦合型光强调制图5‑8松耦合型光强调制原理示意图非功能型光强调制物理效应型光强调制图5‑11半导体光吸收型光纤温度传感器示意图功能型光强调制功能型光强调制是

6、指光纤本身作为传感元件，被测量通过改变传感光纤的外形、纤芯与包层折射率比、吸收特性及模耦合特性等方法对光纤传输的光波强度进行调制。微弯损耗与光纤微弯光强调制变折射率型光强调制功能型光强调制微弯损耗与光纤微弯光强调制图5‑12微弯损耗强度调制传感器原理图功能型光强调制变折射率型光强调制图5‑14液体芯光纤传感器探头示意图图5‑15液体光纤温度传感器结构示意图相位调制型光纤传感器相位调制是光纤传感中最重要的传感技术，其基本的传感机理是，外界信号（被测量）按照一定的规律使光纤中传播的光波相位发生相应的变化，光相位的变化量即反映被测的外

7、界量。光纤传感技术中使用的光相位调制大体有三种类型。功能型调制这类相位调制型传感器主要应用了光纤材料的晶体特性和物理效应晶体的电光效应晶体的弹光效应晶体的热光效应晶体的磁光效应萨格奈克（Sagnac）效应调制非功能型调制晶体的电光效应晶体在外加电场E作用下，除了固有的自然双折射外，还会产生附加的双折射，使立方晶体具有单轴晶体的性质，变成了光学各向异性。这样，有些单轴晶体则变为具有双轴晶体的性质，这种现象称为电光效应。电光效应实际上是一种在外加电场作用下产生的非线性极化过程。电光效应主要有线性电光效应（Pockels效应）二次电光

8、效应（Kerr效应）晶体的弹（声）光效应各向同性材料或立方晶体，在机械应力作用下，其性质可以变为光学各向异性的现象称为弹光效应。弹光效应可以有两种写法其中P和P分别为压光系数张量和弹光系数张量，它们都是4阶张量，T和S分别为应力和应变。晶体的热光效应当温度变化时