反射式光纤传感器接收光功率理论分析
光纤传感技术

光纤传感技术 2
张学典 Email:zhangxuedian@ 上海理工大学光电学院
上节课内容
1. 概述 2. 光纤光学基本原理— 光的全反射 3. 光纤的结构——纤芯、包层、涂敷层、护套 4. 光纤重要参数—— 5. 光纤的损耗——吸收、散射、辐射
本节内容
1. 光纤传感器基本原理 2. 光纤传感器分类 3. 主要应用领域 4. 关键技术 5. 小结
光纤的分类
按用途类型分类 ﹡通信用光纤; ﹡非通信用光纤; ﹡特种光纤。 按折射率变化类型分类 按纤芯到包层折射率变化可分为阶跃折射率光纤 (a)和渐变折射率光纤(b)。
按传播模式种类分类 多模光纤
(光纤中允许两个或更多的模式 传播) (常用标识: 50/125、62.5/125) (通信用标准多模光纤芯径为50 µm,包层直径为125 µm,涂层 直径245 µm 。国际电报电话咨 询委员会推荐多模光纤的芯-包半 径比为0.4)
发射光纤与接收光纤的四种分布
光缆的种类很 多,以上是两 种光缆的断面 结构示意图
水下光缆的敷设
地下光缆的
架空光缆的施工
一个典型位移-输出曲线如图所示。在位移-输出曲 线的前坡区,输出信号的强度增加得非常快,这一区域 可以用来进行微米级的位移测量。在后坡区,信号的 减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比,可 用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测 量。
单模光纤
(只允许一个模式传播的光纤) (常用标识:9/125) (通信用标准单模光纤芯径为9 µm,包层直径为125 µm,涂层 直径245 µm 。)
常用光纤的尺寸
· · · · · · · · 50/125 graded index MM fiber (NA=0.20) 62.5/125 graded index MM fiber (NA=0.275) 100/140 graded index MM fiber (NA=0.29) 200/230 step index MM fiber (NA=0.37) 200/280 step index MM fiber (NA=0.24) SMF-28 SM fiber (9-10µm core) Payout SM fiber (6-7µm core) 1300/1550nm PANDA PM fiber
光纤传感实验(郑1)

实验1 LED 光源I —P 特性曲线测试发光二极管简称LED (Lifght Emitting Diode ),是目前比较常用的半导体光源。
它的输出光功率(P )随驱动电流(I )的变化而变化。
因此测量LED 光源的I —P 特性曲线具有非常重要的理论意义和工程应用意义。
一、实验原理1、LED 光源的结构及发光机理LED 光源是一种固态P —N 结器件,属冷光源,其发光机理是电致发光。
在电场作用下,半导体材料发光是基于电子能级跃迁的原理。
当发光二极管的P —N 结上加有正向电压时,外加电场削弱内建电场,使空间电荷区变窄,裁流子扩散运动加强。
由能带理论可知,当导带中的电子与价带中的空穴复合时,电子由高能级向低能级跃迁,同时电子将多余的能量以光子的形式释放出来,产生电致发光现象。
光子能量大小取决于半导体材料的禁带宽度E g (E g =E 1-E 0),能量越大,发出光波的波长就越短,即gE hc =λ (1-1)其中c 为光速,h 为普朗克常数。
另外,LED 光源发出的光谱有一定的宽度。
这是因为:第一、两个能带都有一定宽度,所以跃迁的起点、终点都有一定范围,导致了光谱具有一定宽度;第二、实际上半导体内的复合是复杂的,除了本征复合(电子直接从导带跃迁到价带,与电子复合,同时发射出光子)之外,还存在导带与杂质能级、价带与杂质能级及杂质能级之间的跃迁。
本实验仪采用的LED 光源中心波长为0.89μm 。
2、PIN 型光电二极管的结构和工作原理光电二极管通常是在反向偏压下工作的光效应探测器。
光电二极管的基本结构是PN 结。
外加反偏电压方向与PN 结内电场方向一致,当PN 结及其附近被光照射时就产生光生载流子,光生载流子在热垒区电场作用下漂移过结,参与导电。
当入射光强变化时,光生载流子浓度及通过外电路的光电流也随之变化,这种变化特性在入射光强很大的范围内保持线性关系,从而保证了光功率在很大范围内与电压有如下线性关系p =kU (1-2)其中P 为光功率,U 为PN 结端电压,k 为比例系数。
光纤传感器工作原理

光纤传感器工作原理
光纤传感器是一种利用光的传输特性进行测量和检测的装置。
它通过光纤将光信号从发射端传输到接收端,并通过对光信号的变化进行分析,来实现对待测物理量的检测。
光纤传感器的工作原理主要基于光的折射和干涉原理。
当光线从一种介质传输到另一种介质时,光线的传播方向会发生偏折,这个现象称为光的折射。
光纤传感器利用折射现象来实现对环境或待测物理量的测量。
一种常见的光纤传感器工作原理是基于光纤的弯曲或拉伸效应。
当光纤受到外力作用,被弯曲或拉伸时,光线在光纤中的传输路径会发生变化,从而导致光信号的强度、相位或频率发生变化。
通过测量这些变化,可以得到外力的大小或物体的形变情况。
另一种常见的光纤传感器工作原理是基于光的干涉效应。
当光线从光纤的一端传输到另一端时,如果光线在传输过程中遇到了待测物理量引起的干扰,例如温度变化、压力变化等,干涉现象就会发生。
通过检测干涉光信号的强度或相位差的变化,可以得到待测物理量的信息。
除了上述的基本工作原理,光纤传感器还可以利用光纤的吸收、散射、散射等特性进行测量和检测。
总之,光纤传感器通过光的传输特性和与环境或待测物理量的相互作用,实现对目标物理量的测量和检测。
光纤传感器 ppt

2、光纤传感器技术的特点
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)。 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。
3、光纤传感器的组成与分类 (1)功能型光纤传感器 (2)传光型光纤传感器
光纤电流 传感器
光纤生物 传感器
温度光纤传感器 敏感头
(1)功能型光纤传感器
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。
一根光纤伸 长,一根光 纤缩短
光程差变化
光纤应变传感器
(
2)传光型光纤传感器
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,称为传光型传感器。
例: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;
举例: (1) 投币机;计数装置
二、光导纤维以及光在其中的传播
在实际系统中,用光纤输出端面作为R面。
信号光束只受到垂直振动分量U⊥cosωt的调制。 由于振动体使反射点靠近或远离光纤,从而改 变了信号光束的光路长度,相应改变了信号光 与参考光的相对相位,产生了相位调制。信号 光与参考光之间的相位差为:
4
U cost
式中,λ为激光波长,ω为光波圆频率。
光纤传感器
目 录
一、概论 二、光导纤维以及光在其中的传播 三、光纤传感器的光源 四、光纤传感器应用范例
反射式光纤束探头理论建模和仿真实现

耦合的不稳定性 以及被测 表面 的不一致 性等 因素对 传感器 测 量精 度的影响 。
1 单光纤对理论建模
强 度调 制型光纤传感 器是 利用 光强 的变化 来测 量被 测物
理量 , 然而 , 传感 系统 中影 响光强 的因素又是多方 面 的, 除 了被
测 物理 量外 , 像光 源输 出光功 率 的波动 、 光 电器件耦 合 的不稳
Ab s t r a c t : T h e o r e t i c a l mo d e l i n g o f t h e o p t i c a l i f b e r b u n d l e p r o b e w a s b u i l t b y t h e a n a l y s i s o f l i g h t p a t h a n d t h e o r e t i c a l mo d e l — i n g o f s i n g l e i f b e r p a i r , a n d wa s s i mu l a t e d . B a s e d o n s i n g l e mo d e i f b e r o u t p u t o f l i g h t a n d d e t e c t i o n c o n d i t i o n s o f t h e i n t e n s i t y — mo d — u l a t e d o p t i c a l i f b e r s e n s o r , t h e o p t i c a l ib f e r b u n d l e p r o b e wi t h o n e mu h i mo d e i f b e r s e n d i n g a n d s i x mu h i mo d e i f b e r s r e c e i v i n g w a s d e s i g n e d a n d i mp l e me n t e d . T h e l i g h t s o u r c e i s d i v i d e d i n t o t wo wa y s b y t h e o p t i c a l i f b e r b u n d l e p r o b e, o n e i s a s t h e d e t e c t i o n l i g h t p a t h, a n d t h e o t h e r i s a s t h e r e f e r e n c e l i g h t p a t h . I t a c h i e v e s g o o d r e s u l t s i n t h e mo n i t o r i n g o f t h e i n t e n s i t y — mo d u l a t e d o p t i c a l i f b e r
光纤传感技术详解

• 光弹效应 解调原理:检偏器
25
普克尔效应(电光效应)
当压电晶体受光照射,并在与光照正交的方向上加以高压电 场时,晶体将呈现双折射现象,这种现象被称为Pockels效应, 如下图所示。并且,这种双折射正比于所加电场的一次方在晶 体中,两正交的偏振光的相位变化为
3 n0 r3U L 0 d
检测原理
应力应变效应:光纤长度变化 光弹效应:光纤芯折射率变化 磁致伸缩效应:光纤芯直径变化 声光效应 光热效应 萨格纳克(Sagnac)效应
被调制的 光信号
45
o
o
29
e
o
e
光束传播示意图
两光分量对应的振幅分别为:
轴1光分量振幅: A sin 4 轴2光分量振幅: A cos 4
A sin 4
轴1
参考矢量
A
A
O
4
A sin 4
光纤传感技术
1
光纤发展历史
1870年,英国物理学家丁达尔的实验
1960-光纤发明
1966-华裔科学家“光纤之父”高锟 预言光纤将用于通信。 1970-美国康宁公司成功研制成传输损耗只有20dm/km的光纤。 1977-首次实际安装电话光纤网路 1978-FORT在法国首次安装其生产之光纤电 1979-赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤,被誉为“中
其中:n0 — 正常折射率;re — 电光系数;U — 加在晶体片上的横向电压; λ— 光波长;L — 光传播方向晶体长度;d — 电场方向晶体厚度。
26
光纤传感检测技术

2、包层:直径100-200um,折射率略低于纤芯。
3、涂敷层:硅酮或丙烯酸盐,隔离杂光,保护。
4、尼龙或其他有机材料,提升机械强度,保护光纤。
光纤旳光波导原理
n2
3
2
1
0
① ② n1
4
n2
n2 n1
光纤旳临界角
c
arcsin( n2 n1
)
相应光纤旳入射角临界值为:
n0 sin0 n12 n22 NA
过旳距离L和磁场强度H成正比,即
L
V 0 Hdl V L H
式中V为物质旳弗尔德常数。
利使用方法拉第效应能够测量磁场。其测量原理如图所
示。
光弹效应
在垂直于光波传播方向上施加应力,被施加应力旳材料将会使光 产生双折射现象,其折射率旳变化与应力材关,这被称为光弹效 应。由光弹效应产生旳偏振光旳相位变化为:
④ 便于与计算机和光纤传播系统相连,易于实现系统旳遥测 和控制
⑤ 可用高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境。
⑥ 构造简朴、体积小、重量轻、耗能少。
7.1 光纤传感器旳基础
光纤波导旳构造
套层 一次涂覆层 纤芯 包层
套层
多层介质构造:
一次涂覆层 包层 纤芯
1、纤芯:石英玻璃,直径5-75um,材料以二氧化硅为主, 掺杂微量元素。
光纤中可能传播旳模式有横电波、横磁波和混合波。 (1)横电波TEmn:纵轴方向只有磁场分量;横截面上有 电场分量旳电磁波。中下标m表达电场沿圆周方向旳变化周 数,n表达电场沿径向方向旳变化周数。 (2)横磁波TMmn:纵轴方向只有电分量;横截面上有磁场 分量旳电磁波。 (3)混合波HEmn或EHmn:纵轴方向既有电分量又有磁场 分量,是横电波和横磁波旳混合。
传感器与检测技术光纤式传感器

11光控定位光纤开关——光纤式传感器的测试项目描述•光纤开关与定尺寸检测装置是利用光纤中光强度的跳变来测出各种移动物体的极端位置,如定尺寸、定位、记数等。
特别是用于小尺寸工件的某些尺寸的检测有其独特的优势。
如图11-1所示,当光纤发出的光穿过标志孔时,若无反射,说明电路板方向放置正确。
•通过本项目的学习。
•主要给大家介绍光纤•式传感器(简称光纤•传感器)工作原理及•相关传感器。
知识准备•光纤传感器的结构和原理•(一)光纤• 1. 光纤结构•光纤透明、纤细,虽比头发丝还细,却具有能把光封闭在其中,并沿轴向进行传播的特征。
中心的圆柱体叫作纤芯,围绕着纤芯的圆形外层叫作包层。
纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。
光纤的结构光缆的外形及光纤的拉制各种装饰性光导纤维发光二极管产生多上海东方明珠种颜色的光线,通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。
在计算机控制下,可产生动态图案。
光纤的类型阶跃型:光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致,称为多模光纤。
梯度型:梯度型光纤的的折射率呈聚焦型,即在轴线上折射率最大,离开轴线则逐步降低,至纤芯区的边沿时,降低到与包层区一样。
常用光纤类型及参数如表所示。
纤芯直径包层直径 /m m /mm 类型 单模 折射率分布 数孔径 值 2~880~1250.10~0.15 多模阶跃光纤(玻璃)80~200100~2500.1~0.3 多模阶跃光纤(玻璃/塑料)200~1000230~12500.18~0.50 50~100125~1500.1~0.2 多模梯度光纤2.光纤的传输原理•(1)光的折射定律•当光由光密物质(折射率n)入射至光疏物质(折射率n)时12发生折射光的反射、折射当一束光线以一定的入射角θ1从介质1射到介质2的分界面上时,一部分能量反射回原介质;另一部分能量则透过分界面,在另一介质内继续传播。
光的全反射当减小入射角时,进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小,将导致折射波只能在介质分界面上传播。
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验 ,从 而 增强 了学 生对 实验 的兴趣 和 积极性 ,提高 了实 验教 学质 量和 教学 效果 。
培养 学生 的创新 能力 [ ] J .实验 科学 与技术 ,20 , 097
( )9 — 2 1 :1 9 .
() 4
要确定 的 ,对 于 给定 的光 纤 传 感 器 ,K 一 的值
是不 同 的。如果要 通 过理论 计 算得 出这 些参 量值 是 不容 易 的 ,可 以根据 实验 测量 结果 ,建 立 一个简 单 的模 型来描 述这 种传 感器 。方 法 是 : ( ) 做 实验 , 1 测量 Z、P的数值 ,根 据 Z、P之 间 的 对 应关 系 画
4 反射 式微 位 移 强 度 型 光 纤 传 感器 的标 定
式 ( )精 练地 表达 了反射 式 微 位移 强 度光 纤 9 传 感器 所依 据 的理 论 。但 是 ,公 式 中 一 是 需
P 。:{ )。() ]o I
因此 , 一 - ] ( 厂 ) 】: (
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2
1
Ix j op e卜A
( )
其 中 ,r 是柱 坐标 系下 的半 径 ;I是 交叉 组 合 平 面 o
。 向上 中心强 度 ;A是 光纤 中与模 式 功 率 分 布 有 方
4=tn s ( A n) a [i N / 0 ] n 则 ,光纤 端 面接收 的光 功率 与被 测 物到 接收端 之 问
其 中 ,0是 纤 芯 半 径 ;N A是 光纤 的 数 值 孔 径 ; 。 是光 纤 外 面 介 质 的 折 射 率 。联 立 方 程 ( ) 方 程 1和 () 5 ,我们 发 现 规 一 化 光 强 ∥ 在 发 射 位 置 r=
代人式( ) 9 中,得出反射式微位移强度型光纤传感 器 的完 整 公 式 ,完 成 对 传 感 器 的标 定 。一 般 情 况 下 ,每一 台传感 器都 需加 一个 不 同的修正 值用 以补
j J
当反 射式 强度 型光 纤传 感器 的结 构设 定后 ,式 ( ) 的系数 C、P 、A、n N 8中 。 、 A及 都是 确 定 的 常 数 ,令 :
后 l=P ( o 1一C [ ) 1+ep 0 ] x ( )
2=P ( 0 1一c )
k =4 3
光 场强 度分 布在 柱坐标 系下用高斯 函数 表示 :
偿零 点漂移 等 问题 。经过 这样 的调试 ,一 台反射 式
Z ns— 1+ 处 成e (A) 因 常 t 『n f 1n 变 x 一 。 此 数 L \ n i p
o ,J
A显 示 了发 射 光锥 中光功率 的大小 与模 式功 率 分 布
有关 。把 方程 ( ) 人 方程 ( ) 4代 1 ,我 们 得 到发 射 光 纤端 面外任 意 一点 光 强度 的表达式 :
・
l ・ 0
实 验 科 学 与技 术
21 0 0年 l 2月
容易计 算 ,我 们 可 以将 z等 效 地 看 成 是 输 出光 纤
和接 收光纤 之 间 的纵 向空气 间距 ,如 图 2所示 。
,J 』 凳
—
’
假设 多模光 纤 出射 的功率 投射 到相 同的接 收光纤 的 纤芯 区域 ,进入 光纤 的功 率可 以写 成 :
根据射线光学中对于多模光纤传播的解释 ,光纤外 光束 的空 间径 向长 度被 限制在 一个 由数值 孔径决 定 的发 射光锥 内 ,假 设 函数 厂 ()由下式 给 出 :
) mns—坐1 0 = 『n f ] i +
、 ,O , L
() 5
出实 验 曲线 图。 ( )使 用 O g 2 i n软 r i 件 ,根据 z— P 实验 曲线 ,非 线性拟 合 出 — 的值 。将 K 一
的距离 可用如 下 的关 系表示 :
关 的常数 。这 个 平 面 内总 的功 率应 该 是 一 个 常数 。 这 样我 们得 到 在任 意 的距离 处 的光功 率有 :
2霄 ∞
P K一 x 一 = p e【
() 2
] ( 9 )
P o= f I d Ir r
把公式 ( ) 入公 式 ( ) 1代 2 ,我们得 到
为 了估 计 多模 光纤 中的耦合损 耗 ,我们必 须 知
道在 接 收光纤 端 面外横 向光 场 的强 度分 布 。对 于单
、 1
模 光纤来 说 ,高斯 函数给 出场强 分布 的一个很 好 的 近 似 。但 是对 于多模 光纤 ,光场 的强度 分 布是 由光
纤 中所 有 的传 导模 决定 的 ,所 以不 同的模式 功率 分 布 导致 光纤端 面外横 向截 面组合 场强度 不 同 。 假设 多模 阶跃光纤 发送 端 面外任 意距 离 处 的
输出光纤
/
、 : > :: : :
接收光纤
“ 。
件 ,我们就 得 到 了接 收 光 功 率 与 距 离 z之 间 的 关
系式 :
图 2 反 射 式 强 度 型 光纤 传 感 头 的 等 效 光 路
P = ( 一C P 1+epA 1 )o x( )一 l
A口
唧
微位 移强 度型光 纤传 感器 就制 造 成功 了。
5 结 束 语
目前 ,各种 各样 的光 纤传 感 器在 实 际应用 中不
( 下转 第 1 8页 ) 0
e A ] ( x一 j 【 pA 【 பைடு நூலகம் o 6 )
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实验 科 学 与 技 术
21 0 0年 1 2月
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其 中 C代 表 接 收 光纤 末 端 的菲 涅 耳 反 射 。把 方 程 () 5 和方程 ( ) 人 方 程 ( ) 6代 7 ,考 虑 到 当 z= 0的 条