传感器与检测技术 第九章 光纤传感器.ppt

传感器与检测技术 第九章 光纤传感器
第1页，共110页，编辑于2022年，星期二
1 光导纤维的结构和导光原理
圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率
纤芯材料的主体是二氧化硅塑料，制成很细的圆柱体，其(还有一类：探光型)
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光纤传感器光学测量的基本原理
光就是一种电磁波，
光的电矢量E
被测量调制：
光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位
解调：
光的强度解调、偏振解调、频率解调或相位解调
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光纤对许多外界参数有一定的效应，如电流、温度、速度和射线等。光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应，实现对外界被测参数的“传”和“感”的功能。光纤传感器的核心就是光被外界参数的调制原理，调制的原理就能代表光纤传感器的机理。研究光纤传感器的调制器就是研究光在调制区与外界被测参数的相互作用，外界信号可能引起光的特性（强度、波长、频率、相位、偏振态等）变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态调制原理。
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4 光纤传感器的分类
传感器
光学现象
被测量
光纤
分类
干
涉
型
光纤传感器相位调制
干涉（磁致伸缩）
干涉（电致伸缩）
Sagnac效应
光弹效应
干涉
电流、磁场
电场、电压
角速度
振动、压力、加速度、位移
温度
SM、PM
SM、PM
SM、PM
SM、PM
SM、PM
a
a
a
a
a
非
干
涉
型
光纤传感器强度调制
遮光板断光路
半导体透射率的变化
荧光辐射、黑体辐射
光纤微弯损耗
振动膜或液晶的反射
气体分子吸收
光纤漏泄模
温度、振动、压力、加速度、位移
温度
温度
振动、压力、加速度、位移
振动、压力、位移
气体浓度
液位
MM
MM
MM
SM
MM
MM
MM
b
b
b
b
b
b
b
光纤传感器偏振调制
法拉第效应
泡克尔斯效应
双折射变化
光弹效应
电流、磁场
电场、电压
温度
振动、压力、加速度、位移
SM
MM
SM
MM
b,a
b
b
b
光纤传感器频率调制
多普勒效应
受激喇曼散射
光致发光
速度、流速、振动、加速度
气体浓度
温度
MM
MM
MM
C
b
b
注：MM——多模光纤；SM——单模光纤；PM——偏振保持光纤
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光纤传感器的分类
光纤在传感器中的作用
光受被测量调制的形式
光纤传感器中对光信号的检测方法不同
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(1) 光纤在传感器中的作用
功能型
（传感型）
非功能型
（传光型）
探光型
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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：结构紧凑、灵敏度高。
缺点：须用特殊光纤，成本高，
典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等
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利用外界因素改变光纤的特征参量，从而对外界因素进行计量和数据传输的，称为传感型光纤传感器，它具有传、感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中。
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(b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器
光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。
优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，
比较容易实现，成本低。
缺点：灵敏度较低。
实用化的大都是非功能型的光纤传感器。
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传光型光纤传感器是指利用其他敏感元件测得的特征量，
由光纤进行数据传输，它的特点是充分利用现有的传
感器，便于推广应用。
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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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(2) 根据光受被测对象的调制形式
(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
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(a)强度调制型光纤传感器
利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。
应