传感器原理与应用(中)课件.ppt
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- 传感器 原理 应用 课件
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1、传感器原理与应用(中)2光纤传感技术 光纤传感器是光纤传感器是20世纪世纪70年代中期发展起来的年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物,它与以电为和光通信技术迅速发展的产物,它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体,用光纤作为传递敏感作为敏感信息的载体,用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此,它同时具有光纤及光学信息的媒质。因此,它同时具有光纤及光学测量的特点。测量的特点。3光纤传感分类4功能型光纤传感 这类传感器利用光纤这类传感器利用光纤 本身对外界被
2、测对象本身对外界被测对象 具有敏感能力和检测具有敏感能力和检测 功能,光纤不仅起到功能,光纤不仅起到 传光作用,而且在被传光作用,而且在被 测对象作用下,如光强、相位、偏振态等测对象作用下,如光强、相位、偏振态等 光学特性得到调制,调制后的信号携带了被测光学特性得到调制,调制后的信号携带了被测信息。信息。5 全光纤型传感器全光纤型传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤纤(或特殊光纤或特殊光纤)作传感元件,将作传感元件,将“传传”和和“感感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用,而且还利用光纤在外界因素作用,而且还
3、利用光纤在外界因素(弯曲、相弯曲、相变变)的作用,其光学特性的作用,其光学特性(光强、相位、偏振光强、相位、偏振态等态等)的变化来实现的变化来实现“传传”和和“感感”的功能。的功能。因此,传感器中光纤是连续的。因此,传感器中光纤是连续的。信号处理光接收器光纤敏感元件光发送器6 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。其典型例子如光纤探被其反射、散射的光。其典型例子如光纤探针、光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温针、光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器光纤光栅传感器等。度传感器光纤光栅传感器等。信号处
4、理光 接收 器光发送器光纤耦合器被测对象7非功能型光纤传感 传光型光纤传感器的传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的光纤只当作传播光的 媒介,待测对象的调媒介,待测对象的调 制功能是由其它光电制功能是由其它光电 转换元件实现的,光转换元件实现的,光 纤的状态是不连续的,纤的状态是不连续的,光纤只起传光作用。光纤只起传光作用。8“有关光在纤维中的传输以用于光学 通信方面”取得了突破性成就2009年 诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家 高锟 高锟-光纤之父 1966年,高锟发表了一篇题为光频率介质纤维表面波导的论文,开创性地提出光导纤维在通信上应用的基本原理,描述了长路程及高信息量光通信所需绝缘性纤
5、维的结构和材料特性。简单地说,只要解决好玻璃纯度和成分等问题,就能够利用玻璃制作光学纤维,从而高效传输信息。光纤技术历史光纤技术历史9 1960年,梅曼发明第一台“红宝石激光器”。激光频谱窄;方向性好;相干性。(理想的光载波)1966年,高锟和霍克哈姆指出利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径。(理论基础)1970年,康宁公司研制光纤损耗20dB/km(光纤商用)1970年1979年,光纤损耗0.2dB/km以下 1970年,光源取得实质性进展。研制成功室温下连续振荡的镓铝砷双异质结半导体激光器(短波长)光纤技术发展10 光纤技术1970-1980,主要以强度调制型光纤传感器的研究为主。198
6、0-1990,开始大规模研究干涉型光纤传感技术。1990-2000,光纤光栅(FBG)传感技术进入一个研究热潮。2000-至今,光纤传感技术进入商业化进程。光纤传感光纤传感光纤通信光纤通信1976年,美国在亚特兰大进行第一个光纤通信现场实验,速率44.7Mb/s1980年,美国铺设东西干线和南北干线,22个州1983年,日本南北光缆干线,全长3400km1989年,第一条横跨太平洋光缆建成,全长13200km90年代,我国光缆干线“八横八纵”,全长8万公里11光纤传感的形成光纤传感的形成 实际光纤通信过程中发现,光纤受到外界环境因素的影响。如压力、温度、电场、磁场等环境条件变化时,将引起光纤传
7、输的光波量,如光强、相位、频率、偏振态等变化。因此,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。12光纤传感优势光纤传感优势 电绝缘性能好。电绝缘性能好。抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。光路可弯曲,对被测信号远距离监控。光路可弯曲,对被测信号远距离监控。非侵入性。非侵入性。高灵敏度。高灵敏度。13电绝缘性能好(不可能产生静电火花)电绝缘性能好(不可能产生静电火花)14抗电磁干扰能力强:抗电磁干扰能力强:辐射干扰辐射干扰Electromagnetic Interference(EMI)传导干扰传导干扰天电
8、噪声天电噪声宇宙射线宇宙射线人为的干扰源人为的干扰源 EMI是干扰电缆信号并降低信号完好性的电子噪音,EMI通常由电磁辐射发生源如马达和机器产生。在高速PCB及系统设计中,高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源,能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。包括15从干扰信号的频率范围来分,可以把干扰从干扰信号的频率范围来分,可以把干扰源分为源分为工频干扰源(工频干扰源(50Hz及其谐波)及其谐波)低频干扰源(低频干扰源(30Hz以下)以下)射频及视频干扰源(射频及视频干扰源(300kHz以上)以上)微波干扰源(微波干扰源(300MHz100GH
9、z)虽然光和电都属于电磁波,但频率范虽然光和电都属于电磁波,但频率范围相差很大。一般微波干扰频率在吉围相差很大。一般微波干扰频率在吉赫赫10GHz,光纤工作频率在,光纤工作频率在 200THz 100 THz10 THz1 THz100 G Hz10 G Hz1 G Hz100 MHz10 MHz1 MHz1 m可见光线10 m100 m1 mm10 mm100 mm1 m10 m100 m中波(MF)短波(HF)米波(V HF)分米波(UHF)厘米波(SHF)毫米波(EHF)亚毫米波远红外线近红外线(光纤通信用)频率波长名称紫外线16光路可弯曲,对被测信号远距离监控:光路可弯曲,对被测信号远
10、距离监控:17泄漏小,泄漏小,信息的保密性能好信息的保密性能好 光纤传输光泄漏非常微弱,弯曲地段无法窃听没有专用的特殊工具,光纤不光纤传输光泄漏非常微弱,弯曲地段无法窃听没有专用的特殊工具,光纤不能分接,信息在光纤中传输非常安全。?能分接,信息在光纤中传输非常安全。?(1)从光纤中折射出来的光线被设备中的光学检测设备拾取(2)然后发送给光电转换设备(3)光电转换装置将光信号转换为电信号,然后通过以太网线将数据传送到黑客的笔记本电脑上。黑客在笔记本电脑上运行某种sniffer软件,可以观察到目标光纤网络中传递的各种数据。18光纤的结构 光纤呈圆柱形,它由纤芯和包层光纤呈圆柱形,它由纤芯和包层两个
11、同心圆柱的双层结构组成。两个同心圆柱的双层结构组成。2R2rn2n1nn2n1纤芯包层光纤结构光纤结构19 纤芯 core:折射率较高,用来传送光;包层 coating:折射率较低,与纤芯一起形成全反射条件;保护套 jacket:强度大,能承受较大冲击,保护光纤。纤芯纤芯包层包层保护套保护套20光纤的尺寸 外径一般为外径一般为125um(一根头发平均一根头发平均100um)内径:单模内径:单模9um 多模多模50/62.5um12595012562.512521光纤的分类 按材料分类:石英光纤:纤芯与包层都是SiO2,损耗小,传输距离长,成本高;聚合物光纤(塑料光纤):纤芯与包层都是塑料,损耗
12、大,传输距离很短,价格很低。多用于家电、音响,以及短距的图像传输。2223光纤的分类 按照光纤的模式分类 单模(Single-Mode)多模(Multi-Mode)G.651:多模光纤,在光纤通信发展初期广泛应用于中小容量、中短距离的通信系统。G.652:常规单模光纤,在波长1.31m色散为零,系统的传输距离只受损耗的限制。24 斯乃尔定理(斯乃尔定理(Snells Law)当光由光密物质当光由光密物质(折射率大折射率大)入射至光疏物质入射至光疏物质时发生折射,如图时发生折射,如图(a)n1n2ri (a)光的折射示意图 可见,入射角可见,入射角i增大时,折射角增大时,折射角r也随之增大,也随
13、之增大,25 NA表示光纤的集光能力,无论光源的发射功率有多大,只要在2i张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围,光线会进入包层漏光。一般NA越大集光能力越强,光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大,要选择适当。产品光纤不给出折射率N,只给数值孔径NA光纤的集光能力光纤的集光能力jikrABCDEFGKOOn0n2n1数值孔径数值孔径NA26光纤的传输特性单模光纤中损耗的功率可用损耗系数来描述,它表示单位长度光纤的损耗功率。如果沿长度方向的损耗是均匀的,那么在知道输入功率Pi后,沿光纤长度方向上任一点z处的功率Po便可用损耗系数表示)exp(0LPPi10log
14、outinWdBW10log1mWWdBm 27损耗的机理损耗的机理吸收损耗:由吸收损耗:由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生。材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生。散射损耗:由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷散射损耗:由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷(如气泡如气泡)引起的散射产生的。引起的散射产生的。1550 nm:0.2 0.3dB/Km1310 nm:0.35 0.5 dB/Km850 nm:2.3 3.4 dB/Km光纤熔接点损耗:0.2dB/点28 模间色散:只发生在多模光纤,因为不同模式的光沿着不同的路径传输。材料色散:不同波长的
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