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1、13:32,1,第九章 光纤传感器,13:32,2,光纤传感器,光纤通讯系统,光纤-信息时代的神经,光纤之父-2009诺贝尔奖获得者高锟,13:32,3,各种装饰性光纤,13:32,4,上海东方明珠,发光二极管产生多种颜色的光线，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。,动态图案,13:32,5,光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。,光纤传感技术就是将温度、压力、电场、磁场的变化转化为光波量的变化的技术。光纤传感器通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号。,13:32,6,光纤传感器的特点:,电绝缘
2、性能好。 抗电磁干扰能力强。 非侵入性。 高灵敏度。 容易实现对被测信号的远距离监控。,位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。,光纤传感器的应用:,2022/12/18,7,光纤传感器外形,13:32,8,一、 光纤传感器基础,1.光纤的结构 光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。光纤的结构如图所示:,中心圆柱体称为纤芯，由某种玻璃或塑料制成。纤芯外围的圆筒形外壳称为包层，通常也是由玻璃或塑料制成。包层外面有涂敷层，之外是一层塑料保护外套。光纤
3、的导光能力取决于纤芯和包层的性质，机械强度取决于塑料保护外套。,13:32,9,13:32,10,2.传光原理 光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。,光在两介质界面上的折射和反射,13:32,11,可以证明，该入射角为,定义：光从空气入射到光纤输入端面时，处在某一角锥内的光线一旦进入光纤，就将被截留在纤芯中，此光锥半角的正弦称为数值孔径。,NA“数值孔径”。,数值孔径NA是光纤的一个基本参数，反映了光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率，只有入射光处于20的光锥内, 光纤才能导光。一般希望有大的数值孔径，这有利于耦合效率的提高，但数值孔径过大，会造成光信号畸变。,NA它是衡量光纤集光性能
4、的主要参数。它表示：无论光源发射功率多大，只有20张角内的光，才能被光纤接收、传播(全反射)；NA愈大，光纤的集光能力愈强。产品光纤通常不给出折射率，而只给出NA。石英光纤的NA=0.2-0.4。,13:32,13,光的全反射实验,13:32,14,a、按材料分类 1) 高纯度石英(SiO2)玻璃纤维：这种材料的光损耗比较小，最低损耗约为0.47dB/km。锗硅光纤，包层用硼硅材料，其损耗约为0.5dB/km。 2) 多组分玻璃光纤：用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤，最低损耗为3.4dB/km。 3) 塑料光纤：用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，达到100-200dB/km。但
5、其重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。,3.光纤的种类,13:32,15,b、按折射率分类 阶跃折射率光纤：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。 渐变（梯度）折射率光纤：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。,13:32,16,c、按光纤的传播模式分类,根据电介质中电磁场的麦克斯韦方程，考虑到光纤圆柱形波导和纤芯包层界面处的几何边界条件时，则只存在波动方程的特定(离散)解。允许存在的不同的解代表许多离散的沿波导轴传播的波。每一个允许传播的波称为一个模。,光纤传输的光波，可分解为沿轴向和沿横截面传输的两种
6、平面波。因为沿横截面传输的平面波是在纤芯和包层的界面处全反射的，所以，当每一次往返相位变化是2p的整数倍时，将在截面内形成驻波。能形成驻波的光线称为“模”，“模”是离散存在的，某种光纤只能传输特定模数的光。,13:32,17,当比较大时，光纤传输的模的总数N近似为：,值小于2.41的光纤，纤芯很细(5m-10m)，仅能传输基模(截止波长最长的模式)，故称为单模光纤。值大的光纤传输的模数多，称为多模光纤，通常纤芯直径较粗(几十m以上)，能传输几百个以上的模。,实际中常用由麦克斯韦方程导出的归一化频率作为确定光纤传输模数的参数。的值可以由纤芯半径r、传输光波波长及光纤的数值孔径NA确定，即:,13
7、:32,18,单模光纤:阶跃型,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。,13:32,19,多模光纤:允许多个模数的光在光纤中同时传播，模分散最严重。这限制了多模光纤的带宽和传输距离。,13:32,20,渐变折射率多模光纤:光纤在纤芯中传播会自动地从折射率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹类似正弦波形，又称为自聚焦光纤。因此渐变折射率多模光纤的模分散比阶跃型小得多。,常用光纤类型及参数如表所示,13:32,22,4.光纤传感器的基本组成,构成光纤传感器除光导纤维之外，还必须有光源和光探测器，另外还有一些光无源器件。,例：遮光式光纤温度计,13
8、:32,23,发光二极管,激光二极管,光 源,13:32,24,专用的光纤连接头及光纤插座,光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。,13:32,25,光电转换器件,13:32,26,二、 光纤传感器的工作原理,13:32,27,13:32,28,1、 光纤传感器分类,a功能型光纤传感器,将“传”和“感”合为一体的传感器。 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。,13:32,29,b非功能型(传光型)光纤传感器,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
9、中是不连续的。 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。,13:32,30,传感器,光学现象,被测量,光纤,分类,干涉型,相位调制光纤传感器,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、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PM,aaaaa,非干涉型,强度调制光纤温度传感器,遮光板遮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膜,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
10、浓度液位,MMMMMMSMMMMMMM,bbbbbbb,偏振调制光纤温度传感器,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,SMMMSMMM,b,abbb,频率调制光纤温度传感器,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,MMMMMM,cbb,注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型,光纤传感器的分类,13:32,31,2 光调制和解调,光的调制和解调可分为：强度、相位、偏振、频率和波长等方式。光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。在光纤传感
11、器中，光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测器进行检测。,13:32,32,种类： 优点： 缺点：,1）强度调制型,一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。,13:32,33,强度调制型示例： 膜片反射式光纤压力传感器,当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。,13:32,34,强度调制型示例：微弯光纤压力传感器,可测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的位移等物理量。,13:32,35,基本原理：是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播系数
12、发生变化，而导致光的相位变化，然后用干涉仪把相位变化变换为振幅变化，从而还原所检测的物理量。因此，相位调制与干涉测量技术并用，构成相位调制的干涉型光纤传感器。,常用的干涉仪主要有4种：迈克尔逊干涉仪、赛格纳克干涉仪、马赫-泽德干涉仪和法布里-珀罗干涉仪，如图所示。,2）相位调制与干涉测量,13:32,36,(a) 迈克尔逊干涉仪,(b) 赛格纳克干涉仪,(c) 马赫泽-德干涉仪,(d) 法布里-珀罗干涉仪,13:32,37,常见相位调制方法：,1）机械应变及光弹性效应 机械应变引起光纤的机械尺寸变化；某些物体内部存在应力时，会产生折射率在不同方向有不同变化的现象；,2）温度效应 温度变化引起光
13、纤的尺寸及折射率变化：,3）磁致伸缩、电致伸缩效应 将单模光纤表面镀上磁致伸缩、电致伸缩材料，则当磁场、电场作用于光纤时，使光纤长度变化，从而相位变化；,13:32,38,工作原理：利用由被测对象引起的光频率的变化来进行监测的传感器。,1) 光学多普勒频移原理 光学中的多普勒现象是指由于观察者和目标的相对运动，使观察者接收到的光波频率产生变化的现象。,3） 频率调制,13:32,39,双重多普勒频移方程表示:,式中， f2为在Q处所观察到的光频率； f为从光源S发出的光频率。,2) 光纤多普勒技术,13:32,40,三、 光纤传感器的应用,1）光纤液位传感器,13:32,41,光纤液位传感器,
14、13:32,42,2）光纤式光电开关,反射型,遮断型,反射镜反射型,13:32,43,光纤开关与定尺寸检测装置,标志孔,电路板标志检测,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。,光纤 耦合器,传输光纤,出射光纤,13:32,44,定位 条形码检测,13:32,45,遮断型光纤光电开关,出射光纤,接收光纤,13:32,46,光纤温度开关,水银柱式光纤温度开关1 浸液；2 自聚焦透镜；3 光纤；4 水银,13:32,47,采用遮断型光纤光电开关对IC 芯片引脚进行检测,13:32,48,3） 医用光纤传感器,a.医用内窥镜 由于光纤柔软、自由度大、传输图像失真小，引入医用内窥
15、镜后，可以方便的检查人体的许多部位。左图为腹腔镜的剖视图。图像导管直径约3.4 mm。,13:32,49,b.光纤体压计 可用来检测人体各部位的体压，如膀胱、直肠、颅内和心血管等，测量范围通常为0-40 kPa。 图所为一种医用体压计探针的结构示意图，在探针端部的开孔上安装有对压力敏感的防水薄膜。膜片通过悬臂梁与反射镜相连。,13:32,50,保护管内为高温光纤,低温光纤,4）光纤温度传感器,13:32,51,利用半导体的吸收特性制作的光纤温度传感器的单端式探头结构如图。光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射后返回，在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行吸收，则出射光强将随温度的变化而变化。,13:32,52,5） 光纤纳米生物传感器,目前最新的生物检测技术多采用纳米传感器。其中一类是运用纳米纤维技术的光学生物传感器。纳米尺度的光纤尖端的制作是光纤纳米传感器的基础，左图为熔接熔拉腐蚀法实验结果。右图为纳米光纤用于细胞检测。,13:32,53,小 结,一、 光纤传感器基础,三、 光纤传感器的应用,二、 光纤传感器的工作原理,1:32 PM,54,作业 调研一种光纤传感器的具体应用实例（最好是生物医学工程领域），介绍其用到的物理效应、结构、工作原理、特点及最新研究等。（形式：每人8-10分钟PPT演讲） 如：光纤多普勒血流计等 人员：方琳静、王秀功、冷静泽、盛梦颖,
