第四章3光纤传感器.ppt

第四章3光纤传感器
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（n2<n1）
斯乃尔（Snell）定理
当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射
（a） 光纤传感器
光导纤维的结构和导光原理
光导纤维的主要参数
光纤传感器结构原理
光纤传感器的分类
光纤传感器的特点
光纤传感器的应用
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
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
(1) 光纤的传感器中的作用
功能型
非功能型
拾光型
光纤传感器分类
1．功能型光纤传感器
它指利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。功能性光纤传感器中光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素的作用下，其光学特性(光强、相位、频率、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。这类传感器主要使用单模光纤。
振幅变化
(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。
非功能型(传光型)光纤传感器
这类光纤传感器中光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成，光纤在系统中是不连续的。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低；但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。
非功能型光纤传感器使用的光纤主要是数值孔径和芯径大的阶跃型多模光纤。
反射式
(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。
2．非功能型(传光型)光纤传感器
传感探针型光纤传感器:光纤把测量对象辐射的光信号或测量对象反射、散射的光信号传播到光电元件上,通常使用单模或多模光纤。典型的例子有光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。
(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
光纤高温温度传感器
PIN1
PIN2
滤波器1
智能
仪表
滤波器2
光纤
高温炉
黑体辐射腔
蓝宝石光纤
光谱型
(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
(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。
应用：压力、振动、位移、气体
优点: 结构简单、容易实现、成本低。
缺点: 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响