《光纤应变传感器》PPT课件
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传感器9 光纤传感器幻灯片PPT
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(c) 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。
典型例子： 光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器
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9.2 光调制与解调技术
光就是一种横波，
光的电矢量E E B si n t ()
可以用被测量调制光的不同参数，例如： 光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制
9.1.1 光纤波导原理 光纤波导简称光纤，是用透光率高的电介质(石英、
玻璃、塑料等)构成的光通路。 由略圆大柱 于形 包内 层芯 的和 折包射层率组n2成。，而且内芯的折射率n1 通常直径为几微米到几百微米
光纤的构造
涂覆层 包层 纤芯
护套
光的反射、折射
当一束光线以一定的入射角θ1从介质1射到与 介质2的分界面上时，一局部能量反射回原介质；另 一局部能量那么透过分界面，在另一介质内继续传 播。
sin i n 1 2n2 2si2nr
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当θr =90°的临界状态时，对应的入射角为：
sin i0 n1 2n2 2
Sin θi0定义为“数值孔径〞NA〔Numerical Apertu
N s A ii0n n 12 i0 arN cs A
其中： (n 1 n 2)/n 1 相对折射率差
非功能型：利用其他敏感元件感受被测量的变化 ，光纤仅做为光的传输介质。所以也称为传光型传感 器．或混合型传感器。
a类：功能型 FF
b类：非功能 型NF
C类：拾光型 NF
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(a) 功能型〔全光纤型〕光纤传感器
光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是 敏感元件，光在光纤内受被测量调制。 优点：构造紧凑、灵敏度高。
光纤及光纤传感器PPT课件
④ 综合业务光纤接入网
市级城市的一二级电信主干，银行，部队，邮局，铁 路等的电信局域网
TV 622M SDH PSTN/ISDN
业务分配节点 (COT)
DDN/ FR SNMP ATM
业务接入节点（RT）
100/1000M E1/BRA/PRA 155M
Internet骨干网
Q3
网管
与电信网管中心相连 典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构
由于光纤和半导体激光器的技术进步， 使 1970 年成为光纤通信发展的一个重 要里程碑
实用光纤通信系统的发展
•
• • • •
1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现
场试验。 1980 年，美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业应用。 1976 年和 1978 年，日本先后进行了速率为34 Mb/s的突变型多模光纤通信系
1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近 了光纤最低损耗的理论极限。
1970 年，光纤通信用光源取得了实质性的进展 •
1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研制成功室 温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个 小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。
光纤通讯简介 1·1 1· 2
1.2.1 光通信与电通信 1.2.2 光纤通信的优点 1.2.3 光纤通信的应用
光纤通信发展的历史和现状
1.1.1 探索时期的光通信 1.1.2 现代光纤通信 1.1.3 国内外光纤通信发展的现状
1· 3 光纤通信系统的基本组成
光纤传感原理及应用技术课件
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （3）萨格纳克（Sagnac）光纤干涉仪
8 A 0c
1
2
光纤耦合器
光纤陀螺是近20年来发展起来的一门新技术，除了在航空航天技术中用于导 航、制导、定位外，也可用于石油钻井中跟踪钻头位置、机器人控制、汽车 以及在其他测量角度的系统中应用。与传统的机电陀螺相比，光纤陀螺具有 启动快、体积小、成本低等优光纤点传，感原因理此及应它用更技具术课有件竞争力。
B-两束光波在相遇点的光程差不能太大。
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （1）迈克尔逊(Michelson)光纤干涉仪
LD 分光镜
固定反射镜
可移动 反射镜
光探测器
LD 光探测器
固定反射镜 3dB
可动端S(t)
2k0L
光纤干涉仪与普通的光学干涉仪相比，优点在于： （1）容易准直； （2）可以通过增加光纤长度来增加光程，以提高干涉仪的灵敏度； （3）封闭式的光路，不受外界干扰； （4）测量的动态范围大。
Fiber
Fiber
图3 光纤传感器传感探头具体的结构形式 Fig.3 Diagram of the fiber-optic temperature sensor probe
图416 光吸收系数强度调制辐射量传感器
射线辐射会使光纤材料的吸收损耗 增加，使光纤的输出功率降低，从 而构成强度调制辐射量传感器光。纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （4）法布里珀罗（FabryPerot）光纤干涉仪
(c)
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
3、偏振调制型光纤传感器技术
8 A 0c
1
2
光纤耦合器
光纤陀螺是近20年来发展起来的一门新技术，除了在航空航天技术中用于导 航、制导、定位外，也可用于石油钻井中跟踪钻头位置、机器人控制、汽车 以及在其他测量角度的系统中应用。与传统的机电陀螺相比，光纤陀螺具有 启动快、体积小、成本低等优光纤点传，感原因理此及应它用更技具术课有件竞争力。
B-两束光波在相遇点的光程差不能太大。
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （1）迈克尔逊(Michelson)光纤干涉仪
LD 分光镜
固定反射镜
可移动 反射镜
光探测器
LD 光探测器
固定反射镜 3dB
可动端S(t)
2k0L
光纤干涉仪与普通的光学干涉仪相比，优点在于： （1）容易准直； （2）可以通过增加光纤长度来增加光程，以提高干涉仪的灵敏度； （3）封闭式的光路，不受外界干扰； （4）测量的动态范围大。
Fiber
Fiber
图3 光纤传感器传感探头具体的结构形式 Fig.3 Diagram of the fiber-optic temperature sensor probe
图416 光吸收系数强度调制辐射量传感器
射线辐射会使光纤材料的吸收损耗 增加，使光纤的输出功率降低，从 而构成强度调制辐射量传感器光。纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （4）法布里珀罗（FabryPerot）光纤干涉仪
(c)
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
3、偏振调制型光纤传感器技术
光纤应变传感器
系统线性范围小、分辨率低
I1 I 0 0.8
0.6
R=0.8 R=0.5
R=0.3
R=0.9
0.4
R=0.1
0.2
R=0.04
0
0
5
10
图6-13 F-P干涉动态工作特性
Fig.6-13 dynamic properties of F-P interference
/rad
光纤传感器抗震动能力差
光源
传感元件
6-8 马赫-曾德光纤应变传感原理结构
信号光纤
Fig.6-8光T纤he耦pr合in器ci1ple structure of Mach-Zehnder’s strain光s纤en耦so合r 器2
最大测量范围为1200με，最参高考分光辨纤率为2με
光电
转换
法布里-珀罗光纤应变传感器
激光源
偏振型光纤应变传感器
起偏器
透镜
激光器
图6-5 偏振光纤应变计 光学准直器
光纤
Fig.6-5 Polarimetric optical fiber strain gauge
最大测量范围[34]为1200με，分辨率为 5με
光电检Βιβλιοθήκη 测体透镜 检偏器测器
相位调制型光纤应变传感器
麦克尔逊(Michelson)干涉型光纤应变传感器 马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)光纤应变传感器 法布里-珀罗(Fabry-Perot简写为F-P)光纤应变传感器 光纤光栅传感器
多模光纤
L 反射镜
空芯光纤 焊接(或粘接)
多 a)(光单纤)模与光被纤测表面
反射光
金属丝
(b) 单模与应多变模传光感光 纤纤
传感器原理及其应用光纤传感器PPT课件
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1.1光纤传感器的基本知识
1.1.1 光纤的结构 光纤是光导纤维的简称，形状一般为圆柱形，材料是高纯度的石 英玻璃为主，掺少量杂质锗、硼、磷等。光纤的结构如图所示。
纤芯的折射率比包层的折射率稍大，当满足一定条件时，光就 被“束缚”在光纤里面传播。
13
1.1.2 光纤的传光原理
19
单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长。其折射率分布均 为阶跃型。单模光纤原则上只能传送一种模数的光，常用于光 纤传感器。这类光纤传输性能好，频带很宽，具有较好的线性 度；但因芯小，难以制造和耦合。
110
多模光纤允许多个模 数的光在光纤中同时 传播，通常纤芯直径 较大，达几十微米以 上。由于每一个“模” 光进入光纤的角度不 同，它们在光纤中走 的路径不同，因此它 们到达另一端点的时 间也不同，这种特征 称为模分散。特别是 阶跃折射率多模光纤， 模分散最严重。这限 制了多模光纤的带宽 和传输距离。
由斯涅尔定律得
sin c
n2 n1
临界角仅与介质的 折射率的比值有关
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当入射角 ＞1 c时，光线不会透过其界面，而全部反射到光密物
质内部，也就是说光被全反射。根据这个原理，如图所示，只要
使光线射入光纤端面的光与光轴的夹角 小于一0 定值，则入射到
光纤纤芯和包层界面的 角就满足1 小于临界角 的条件，光c 线就
3) 塑料光纤
用 人 工 合 成 导 光 塑 料 制 成 ， 其 损 耗 较 大 ， 当 时 ， 达 到 100 ～ 200 dB/km。但其重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导 光。
17
2．按折射率分类 分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤，如图所示。在纤芯和 包层的界面上，纤芯的折射率不随半径而变,但在纤芯与包层界 面处折射率有突变的称为阶跃型；而光纤纤芯的折射率沿径向由 中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致的称为 渐变型。
第8章_光纤传感器PPT课件
04.12.2020
三、光纤传感器的光源 1、光纤传感器光源要求 2、光纤传感器光源分类
电子科技大学 传感技术课程组 制作
1、光纤传感器光源要求
04.12.2020
➢ 由于光纤传感器结构所限，要求光源的体积小，
便于与光纤耦合；
➢ 光源要有足够的亮度，以提高传感器输出的光功
率；
➢ 光源发出的光波长应适合，以减少光波在光纤中
（2）传光型光纤传感器
04.12.2020
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。
有两种形式：
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；
大的电信号；
(3)响应频带宽、响应速度快、动态特性好； (4)性能稳定、噪声小等。
电子科技大学 传感技术课程组 制作
04.12.2020
光纤传感器用光探测器的分类
➢ 光电二极管 ➢ 光敏电阻 ➢ 光电池
电子科技大学 传感技术课程组 制作
04.12.2020
五、光调制技术 按照调制方式分类，光调制可以分
电子科技大学 传感技术课程组 制作
2）四种相位调制类型的光纤干涉仪的结构
04.12.2020
a：迈克尔逊干涉仪；b：马赫-泽德干涉仪； c：塞格纳克干涉仪；d：法布里-珀罗干涉仪
电子科技大学 传感技术课程组 制作
04.12.2020
3）四种相位调制光纤干涉仪的工作原理 在四种干涉仪中,以一个或两个3dB耦合器取代了分光
电子科技大学 传感技术课程组 制作