电子科大传感器第七章光纤传感器[1]课件.ppt
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- 电子科 传感器 第七 光纤 课件
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1、2022-8-15电子科大传感器第七章光纤传感器1电子科大传感器第七章电子科大传感器第七章光纤传感器光纤传感器电子科大传感器第七章光纤传感器1一、概论一、概论二、光导纤维以及光在其中的传播二、光导纤维以及光在其中的传播三、光纤传感器的光源三、光纤传感器的光源四、光纤传感器用光探测器四、光纤传感器用光探测器五、光调制技术五、光调制技术六、光纤位移传感器六、光纤位移传感器七、光纤速度、加速度传感器七、光纤速度、加速度传感器八、光纤振动传感器八、光纤振动传感器九、光纤温度传感器九、光纤温度传感器本章小结本章小结目目 录录电子科大传感器第七章光纤传感器1一、概一、概 论论1 1、光纤传感器技术的形成、
2、光纤传感器技术的形成2 2、光纤传感器技术的特点、光纤传感器技术的特点3 3、光纤传感器的组成与分类、光纤传感器的组成与分类电子科大传感器第七章光纤传感器11 1、光纤传感器技术的形成、光纤传感器技术的形成p光纤传感器技术是上世纪70年代末发展起来的一门崭新的技术,是传感器技术的新成就。p光纤传感器是随着光导纤维实用化与光通信技术的发展而形成的。光纤作为远距离传输光波信号的媒质,最早用于光通信技术中。p在实际光通信过程中发现,。因此,科技人员推测,如果能测量出光波量变化的大小,就可以知道导致这些光波量变化的压力、温度、电场、磁场等物理量的大小,于是就出现了光纤传感器技术。电子科大传感器第七章光
3、纤传感器12 2、光纤传感器技术的特点、光纤传感器技术的特点p光纤传感器较传统的传感器相比有许多特点:灵敏度高结构简单体积小耗电量少耐腐蚀绝缘性好光路可弯曲便于实现远调(远距离调控)。p光纤传感器技术是一门多学科性科学,涉及知识面广泛,如纤维光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术和微型计算机应用等。电子科大传感器第七章光纤传感器13 3、光纤传感器的组成与分类、光纤传感器的组成与分类(1)功能性光纤传感器(2)传光型光纤传感器电子科大传感器第七章光纤传感器1(1 1)功能型光纤传感器)功能型光纤传感器p 利用光纤本身的某种敏感特性或功能制作的传感 器,称为功能型传感器功能型传感器。电子科大
4、传感器第七章光纤传感器1(2 2)传光型光纤传感器)传光型光纤传感器l一种是将敏感元件置于入射与接收光纤中间,在被测对象的作用下,或使敏感元件遮断光路,或使敏感元件的光透射率发生变化,这样,光探测器通光量便成为被测对象调制后的信号;另一种是在光纤一端设置“敏感元件+发光元件”的组合部件,敏感元件感受被测对象的作用并将其转换为电信号后作用于发光元件,而发光元件的发光强度作为测量所得的信息。光纤仅起传输光波的作用,必须在光纤中间或端面加装其他光纤仅起传输光波的作用,必须在光纤中间或端面加装其他敏感元件才能构成传感器,称为敏感元件才能构成传感器,称为传光型传感器传光型传感器。有两种形式:有两种形式:
5、电子科大传感器第七章光纤传感器1二、光导纤维以及光在其中的传播二、光导纤维以及光在其中的传播传播原理:全反射传播原理:全反射光纤基本结构光纤基本结构光线传输光线传输电子科大传感器第七章光纤传感器1三、光纤传感器的光源三、光纤传感器的光源1 1、光纤传感器光源要求、光纤传感器光源要求2 2、光纤传感器光源分类、光纤传感器光源分类电子科大传感器第七章光纤传感器11 1、光纤传感器光源要求、光纤传感器光源要求由于光纤传感器结构所限,要求由于光纤传感器结构所限,要求光源的体积小光源的体积小,便于与光纤耦合;便于与光纤耦合;光源要有光源要有足够的亮度足够的亮度,以提高传感器输出的光功,以提高传感器输出的
6、光功率;率;光源发出的光波长应适合光源发出的光波长应适合,以减少光波在光纤中,以减少光波在光纤中传播时的能量损耗;传播时的能量损耗;光源工作时光源工作时稳定性好、噪声小稳定性好、噪声小,能在室温下连续,能在室温下连续长期工作;长期工作;光源要光源要便于维护,使用方便便于维护,使用方便。电子科大传感器第七章光纤传感器12 2、光纤传感器光源分类、光纤传感器光源分类p非相干光源非相干光源包括白炽光源与发光二极管;包括白炽光源与发光二极管;p相干光源相干光源包括各种激光器:半导体激光器、氦氖激光器、包括各种激光器:半导体激光器、氦氖激光器、固体激光器;固体激光器;在大多数光纤传感器中希望使用相干光源
7、。在大多数光纤传感器中希望使用相干光源。电子科大传感器第七章光纤传感器1四、光纤传感器用光探测器四、光纤传感器用光探测器p光纤传感器用光探测器的要求p光纤传感器用光探测器的分类电子科大传感器第七章光纤传感器1p 光纤传感器用光探测器的要求光纤传感器用光探测器的要求(1)(1)线性好,按比例地将光信号转换为电信号;线性好,按比例地将光信号转换为电信号;(2)(2)灵敏度高,能敏感微小的输入光信号,并输出较灵敏度高,能敏感微小的输入光信号,并输出较 大的电信号;大的电信号;(3)(3)响应频带宽、响应速度快、动态特性好响应频带宽、响应速度快、动态特性好;(4)(4)性能稳定、噪声小性能稳定、噪声小
8、等。等。电子科大传感器第七章光纤传感器1p 光纤传感器用光探测器的分类光纤传感器用光探测器的分类光电二极管光电二极管光敏电阻光敏电阻光电池光电池电子科大传感器第七章光纤传感器1五、光调制技术五、光调制技术 按照调制方式分类,光调制可以分按照调制方式分类,光调制可以分为:(为:(1 1)强度调制;()强度调制;(2 2)相位调制;)相位调制;(3)(3)偏振调制;(偏振调制;(4 4)频率调制;()频率调制;(5 5)波长调制波长调制电子科大传感器第七章光纤传感器1p 相位调制与干涉测量相位调制与干涉测量1 1)光学干涉仪的共同特点)光学干涉仪的共同特点2)2)四种相位调制类型的光纤干涉仪的结构
9、四种相位调制类型的光纤干涉仪的结构3 3)四种相位调制类型的光纤干涉仪的工作原理)四种相位调制类型的光纤干涉仪的工作原理电子科大传感器第七章光纤传感器11 1)光学干涉仪的共同持点)光学干涉仪的共同持点 光学干涉仪的共同持点是它们的相干光在空气中传播,光学干涉仪的共同持点是它们的相干光在空气中传播,由于空气受环境温度变化的影响,引起空气的折射扰动及声由于空气受环境温度变化的影响,引起空气的折射扰动及声波干扰,这种影响都会导致空气光程的变化,从而引起干涉波干扰,这种影响都会导致空气光程的变化,从而引起干涉测量工作不稳定,以致准确度降低。测量工作不稳定,以致准确度降低。利用利用单模光纤单模光纤作干
10、涉仪的光路,就可以排除上述影响,作干涉仪的光路,就可以排除上述影响,并可以克服光路加长时对相干长度的严格限制,从而可以制并可以克服光路加长时对相干长度的严格限制,从而可以制造出千米量级光路长度的光纤干涉仪。造出千米量级光路长度的光纤干涉仪。电子科大传感器第七章光纤传感器12 2)四种相位调制类型的光纤干涉仪的结构)四种相位调制类型的光纤干涉仪的结构 a:迈克尔逊干涉仪;:迈克尔逊干涉仪;b:马赫:马赫-泽德干涉仪;泽德干涉仪;c:塞格纳克干涉仪;:塞格纳克干涉仪;d:法布里:法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪电子科大传感器第七章光纤传感器13 3)四种相位调制光纤干涉仪的工作原理)四种相位调制光纤干
11、涉仪的工作原理 在四种干涉仪中在四种干涉仪中,以一个或两个以一个或两个3dB3dB耦合器取代了分光耦合器取代了分光器,光纤光程取代了空气光程,并且这些干涉仪中都是以光器,光纤光程取代了空气光程,并且这些干涉仪中都是以光纤作为相位调制元件(传感器),被测物理量作用于光纤传纤作为相位调制元件(传感器),被测物理量作用于光纤传感器,导致其光纤中光相位的变化或光的相位调制。感器,导致其光纤中光相位的变化或光的相位调制。电子科大传感器第七章光纤传感器1 当真空中波长为当真空中波长为的光入射到长度为的光入射到长度为L L的光纤时的光纤时,若若以其入射端面为基准,则出射光的相位为:以其入射端面为基准,则出射
12、光的相位为:式中:式中:K K0 0为光在真空中的传播常数,为光在真空中的传播常数,n n为纤芯折射率。为纤芯折射率。由此可见由此可见:纤芯折射率的变化及光纤长度的变化纤芯折射率的变化及光纤长度的变化,都都 会导致光相位的变化。即:会导致光相位的变化。即:电子科大传感器第七章光纤传感器1p 频率调制频率调制1 1)光学多普勒频移原理)光学多普勒频移原理2 2)激光多谱勒测速系统)激光多谱勒测速系统电子科大传感器第七章光纤传感器11 1)光学多普勒频移原理)光学多普勒频移原理从物理学知,光学中的多普勒现象是指由于观察者和目从物理学知,光学中的多普勒现象是指由于观察者和目标的相对运动,使观察者接收
13、到的光波频率产生变化的标的相对运动,使观察者接收到的光波频率产生变化的现象。现象。多普勒频移基本公式多普勒频移基本公式(见下面)。见下面)。电子科大传感器第七章光纤传感器1 多普勒频移基本公式多普勒频移基本公式 如一频率为如一频率为f f的静止光源入射到速度为的静止光源入射到速度为v v的运动物体上时,从运的运动物体上时,从运动物体上观测的频率来看,有:动物体上观测的频率来看,有:其中:其中:c c为真空中光速,为真空中光速,为物体至光源方向与物体运动方为物体至光源方向与物体运动方向之向之间的夹角。间的夹角。但是,一般最关心的还是运动物体所散射的光的但是,一般最关心的还是运动物体所散射的光的频
14、移频移,而光而光源与源与观察者则是相对静止的。对于这种情况,可以作为一个双重多普观察者则是相对静止的。对于这种情况,可以作为一个双重多普勒勒频移频移来考虑,即先考虑从光源到运动物体,然后再考虑从运动物来考虑,即先考虑从光源到运动物体,然后再考虑从运动物体体到观察者。到观察者。f1=f1-(v/c)21/21-(v/c)cos f1+(v/c)cos电子科大传感器第七章光纤传感器1 双重多普勒双重多普勒频移频移l物体物体P P相对于光源相对于光源S S运动时,在运动时,在P P点观察到的光频率点观察到的光频率f f1 1为:为:f f1 1=f1-(v/c)=f1-(v/c)2 2 1/21/2
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