光纤传感器与检测技术.ppt

1/21传感器与检测技术2/41光纤传感器传感器与检测技术一、光纤传感器基础二、光纤传感器3/41光纤传感器光纤最早在光学行业中用于传光和传象,在70年代初生产出低损耗光纤后,光纤在通信技术中用于长距离传递信息。由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质,而且光波在光纤中的传播时表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素(如温度、压力、磁场、电场、位移等)的作用而间接或直接地发生变化,从而可将光纤用作传感器元件来探测各种待测量(物理量、化学量和生物量),这就是光纤传感器的基本原理。4/41光纤传感器光纤传感器基础一、光纤结构n纤芯>:石英玻璃,直径5-75um,材料以二氧化硅为主,:直径100-200um,:硅酮或丙烯酸盐,:尼龙或其他有机材料,提高机械强度,保护光纤5/41光纤传感器二、导光原理jinn??sinsin10?rknn??sinsin21?临界状态:全反射:02 1arcsin( / )kn n??0k k? ??kj?????90rinn??22221sinsin??n0≈12 21 2siniN A n n?? ? ??数值孔径6/41光纤传感器反映纤芯接收光量的多少,标志光纤接收性能。意义:无论光源发射功率有多大,只有2θi张角之内的光功率能被光纤接受传播。2221sinnnNAi????7/41光纤传感器光纤传感器光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时,光的某一性质受到被测量的调制,已调光经接收光纤耦合到光接收器,使光信号变为电信号,最后经信号处理得到所期待的被测量。??????tsinAE式中A——电场E的振幅矢量;ω——光波的振动频率;φ——光相位;t——光的传播时间。可见,只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化,或受被测量调制,那么,通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调,即可获得所需要的被测量的信息。8/41光纤传感器光纤传感器一、:利用光纤本身感受被测量变化而改变传输光的特性,光纤既是传光元件,又是敏感元件传光型光纤传感器:利用其他敏感元件感受被测量的变化,(a) 强度调制型光纤传感器(b) 偏振调制光纤传感器(c) 频率调制光纤传感器(d) 相位调制传感器9/41光纤传感器10/41光纤传感器二、光调制和解调技术1. 强度调制利用外界因素改变光纤中光的强度,通过测量光强的变化来检测外界物理量的传感器。微弯效应光强的外调制(光纤包含两部分,发送和接收光纤;调整器是反射器,遮光屏)半导体吸收式折射率光强度调整(被测量引起折射率的变化;利用渐逝场;利用折射率不同的介质之间的折射与反射)