光纤式传感器课件.ppt
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- 光纤 传感器 课件
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1、9:16 PM19:16 PM2光纤作为远距离传输光波信号的媒质,最初的研究是用于光通信技术光纤作为远距离传输光波信号的媒质,最初的研究是用于光通信技术中。用于传感器技术始于中。用于传感器技术始于1977年,至今光纤传感器已日趋成熟。光纤年,至今光纤传感器已日趋成熟。光纤传感器与传统的传感器相比具有许多优点:灵敏度高、电绝缘性能好、传感器与传统的传感器相比具有许多优点:灵敏度高、电绝缘性能好、结构简单、体积小、重量轻、不受电磁干扰、光路可弯曲、便于实现结构简单、体积小、重量轻、不受电磁干扰、光路可弯曲、便于实现遥测、耐腐蚀、耐高温等特点。可广泛用于位移、速度、加速度、压遥测、耐腐蚀、耐高温等特
2、点。可广泛用于位移、速度、加速度、压力、温度、液位、流量、水声、电流、磁场、放射性射线等物理量测力、温度、液位、流量、水声、电流、磁场、放射性射线等物理量测量,发展极为迅速,在制造业、军事、航天、航空、航海和其他科学量,发展极为迅速,在制造业、军事、航天、航空、航海和其他科学技术研究中有着广泛的应用。技术研究中有着广泛的应用。4.9 4.9 光纤传感器光纤传感器 4.9.14.9.1概述概述 9:16 PM3光纤传感器一般由光源、光纤、光电元件等组成。根据光纤传感器光纤传感器一般由光源、光纤、光电元件等组成。根据光纤传感器的用途和光纤的类型,对光源一般要提出功率和调制的要求。常用的用途和光纤的
3、类型,对光源一般要提出功率和调制的要求。常用的光源有激光二极管和发光二极管。激光二极管具有亮度高,易调的光源有激光二极管和发光二极管。激光二极管具有亮度高,易调制,尺寸小等优点。而发光二极管具有结构简单和温度对发射功率制,尺寸小等优点。而发光二极管具有结构简单和温度对发射功率影响小等优点。除此之外,还有采用白炽灯等作光源。影响小等优点。除此之外,还有采用白炽灯等作光源。9:16 PM4光纤检测型光电传感器光纤检测型光电传感器作业件检测作业件检测颜色检测颜色检测9:16 PM5光纤是用光透射率高的电介质光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等如石英、玻璃、塑料等)构成的光通构成的光通路。
4、光纤的结构如图所示,它由折射率路。光纤的结构如图所示,它由折射率n1n1较大较大(光密介质光密介质)的纤芯,的纤芯,和折射率和折射率n2n2较小较小(光疏介质光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。的包层构成的双层同心圆柱结构。光纤的基本结构与波导光纤的基本结构与波导 4.9.2 结构及类型结构及类型1.结构结构9:16 PM62.分类分类单模光纤的折射率分布是单模光纤的折射率分布是阶跃型的,但光纤的光学阶跃型的,但光纤的光学尺寸很小,只能传输单模尺寸很小,只能传输单模光波,是一种超宽带光纤;光波,是一种超宽带光纤;多模光纤能传输数百种模多模光纤能传输数百种模式。式。按照光从纤芯到包层的折射率
5、的变化规律,光纤可分按照光从纤芯到包层的折射率的变化规律,光纤可分为阶跃型、渐变型和单模型三种。为阶跃型、渐变型和单模型三种。图4-128 光纤的类型9:16 PM7物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性,将输入物理量变物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性,将输入物理量变换为调制的光信号。换为调制的光信号。1 1)物性型(功能型)光纤传感器)物性型(功能型)光纤传感器光纤一方面起传输光的作用,另一方面是敏感元件,是靠被测物理量光纤一方面起传输光的作用,另一方面是敏感元件,是靠被测物理量调制或影响光纤的传输特性,把被测物理量的变化转变为调制的光信调制或影响光纤的传输特性,把被测物理
6、量的变化转变为调制的光信号。因此光纤具有号。因此光纤具有“传传”和和“感感”的功能。光纤的输出端采用光电器的功能。光纤的输出端采用光电器件,所接受的光信号便是被测量调制后的信号,并使之转变为电信号。件,所接受的光信号便是被测量调制后的信号,并使之转变为电信号。此类传感器的优点是结构紧凑、灵敏度高,但是,它需用特殊光纤和此类传感器的优点是结构紧凑、灵敏度高,但是,它需用特殊光纤和先进的检测技术,因此成本高。其典型例子如光纤陀螺、光纤水听器先进的检测技术,因此成本高。其典型例子如光纤陀螺、光纤水听器等。等。按照光的作用分类按照光的作用分类信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器9:16 PM8图所示为
7、施加均衡压力和施加点压力的两种光纤压力传感器形式。图图所示为施加均衡压力和施加点压力的两种光纤压力传感器形式。图(a)(a)所所示为光纤在均衡压力作用下,由于光弹性效应而引起光纤折射率、形状和尺示为光纤在均衡压力作用下,由于光弹性效应而引起光纤折射率、形状和尺寸的变化,从而导致光纤传播光的相位变化和偏振面旋转寸的变化,从而导致光纤传播光的相位变化和偏振面旋转;图图(b)(b)所示为光纤所示为光纤在点压力作用下,引起光纤局部变形,使光纤由于折射率不连续变化导致传在点压力作用下,引起光纤局部变形,使光纤由于折射率不连续变化导致传播光散乱而增加损耗,从而引起光振幅变化。播光散乱而增加损耗,从而引起光
8、振幅变化。在光纤的输出端采用适当的光电检测元件检出光强的变化,就可以制作温度、在光纤的输出端采用适当的光电检测元件检出光强的变化,就可以制作温度、压力、振动、位移等传感器。压力、振动、位移等传感器。强度调制强度调制9:16 PM9 结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质,所以又称为路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质,所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。传光型或非功能型光纤传感器。2 2)结构型(非功能型)光纤传感器)结构型(非功能型)光纤传感器在非功能型传感器中,光纤不
9、是敏感元件,即只在非功能型传感器中,光纤不是敏感元件,即只“传传”不不“感感”。它是利用在光纤的端面或在两根光纤中间,放置光学材料及机械式它是利用在光纤的端面或在两根光纤中间,放置光学材料及机械式或光学式的敏感元件,感受被测物理量的变化。或光学式的敏感元件,感受被测物理量的变化。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术,比较容易实现,成此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术,比较容易实现,成本低,但灵敏度也较低,应用于对灵敏度要求不太高的场合。目前,本低,但灵敏度也较低,应用于对灵敏度要求不太高的场合。目前,已实用化或尚在研制中的光纤传感器,大都是非功能型的。已实用化或尚在研制中的光纤传感器
10、,大都是非功能型的。信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤9:16 PM103 3)拾光型光纤传感器)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。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等。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等。信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象9:16 PM11分为:强度调制型、偏振调制、频率调制、分为:强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制相位调制。1 1)强度调制型光纤传感器)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
11、率、吸收或反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、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。位移、气体等各种强度调制型光
12、纤传感器。优点:结构简单、容易实现,成本低。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影响较大缺点:受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。根据光受被测对象的调制形式根据光受被测对象的调制形式9:16 PM122 2)偏振调制光纤传感器)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场、电压传感用光在电场中的压电晶体内
13、传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器;利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器;以及利用器;利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器;以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊,因此灵敏度高。避免光源强度变化的影啊,因此灵敏度高。3 3)频率调制光纤传感器)频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和
14、散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器;利用物质受效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器;利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器等。传感器等。9:16 PM13图所示为激光多普勒效应速度传感器测试系统。该系统主要由激光光源、图所示为激光多普勒效应速度传感器测试系统。该系统主要由激光光源、分光器、光接收器、频率检测器及振动物体等部分组成。分光器、光接收器、频率检测器及振动物体等部分组成。当光源和反射体或散射体之间存在相对运动时,接收到的声波频率与入当光源和反射体或散射体之间
15、存在相对运动时,接收到的声波频率与入射声波频率存在差别的现象称为射声波频率存在差别的现象称为光学多普勒效应光学多普勒效应,是奥地利学者多普勒,是奥地利学者多普勒于于18421842年发现的。当单色光束人射到运动体上某点时,光波在该点被运年发现的。当单色光束人射到运动体上某点时,光波在该点被运动体散射,散射光频率与入射光频率相比,产生了正比于物体运动速度动体散射,散射光频率与入射光频率相比,产生了正比于物体运动速度的频率偏移,称为的频率偏移,称为多普勒频移多普勒频移。9:16 PM14其工作原理为其工作原理为:由激光光源由激光光源(氢氢-氦激光氦激光)发出的光发出的光(频率为频率为f fi i)
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