光纤传感原理及应用技术.ppt

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1、光纤传感原理与应用技术1、强度调制型光纤传感器技术、强度调制型光纤传感器技术1.1 反射式强度调制反射式强度调制光纤传感原理与应用技术1、强度调制型光纤传感器技术、强度调制型光纤传感器技术1.2 透射式强度调制透射式强度调制位移x（D为芯径）-0.9D-0.5D00.5D0.9D0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0输出光强相对变化值发射光纤接收光纤可移动遮光镜图46 带有遮光屏和透镜的透射式光强调制结构发射光纤接收光纤可移动遮光镜图47 带有遮光屏的透射式光强调制结构光纤传感原理与应用技术1、强度调制型光纤传感器技术、强度调制型光纤传感器技术1.3 光模式强度调制光模式

2、强度调制多模光纤光输入光输出变形器L 光纤由变形器引起微弯变形时，有些导波模变成了辐射模，纤芯中的光有一部分逸出到包层，从而引起损耗。若采取适当的方式探测光强的变化，则可知道位移变化量，据此可以制作出温度、振动、位移、应变等光纤传感器。光纤传感原理与应用技术1、强度调制型光纤传感器技术、强度调制型光纤传感器技术1.4 折射率强度调制折射率强度调制（1）光纤折射率变化型）光纤折射率变化型 一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不同。在温度恒定时，包层折射率与纤芯折射率之间的差值是恒定的。当温度变化时，两者之间的差发生变化。选择具有不同折射率温度系数的材料做纤芯和包层，如图所示。包层折射率纤芯折射率

3、光纤传感原理与应用技术1、强度调制型光纤传感器技术、强度调制型光纤传感器技术1.4 折射率强度调制折射率强度调制（2）渐逝场型）渐逝场型 当光在一界面产生全反射时，在光疏介质中仍存在电磁场，其强度按指数规律迅速衰减，透射深度一般约为几个波长，因此被称为渐逝场。渐逝场型的光纤传感器也可分为功能型和非功能型两类。非功能型一般使用棱镜作为传感元件。这种传感原理可以用于纳米级别的位移测量和光谱分析，以及高灵敏度的水声或液位传感器等。光纤传感原理与应用技术1、强度调制型光纤传感器技术、强度调制型光纤传感器技术1.5 光吸收强度调制光吸收强度调制图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

4、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。Fiber Fiber Porcelain bushingGasket cementCeramic pinGaAs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 probeProtective bushing光纤传感原理与应用技术2、相位调制型光纤传感器技术、相位调制型光纤传感器技术 相位调制型光纤传感器的基本传感机理是：通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再利用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的

5、物理量。光纤中光波的相位，一方面由光纤的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定。一般来说，应力、应变、温度等外界物理量能直接改变上述三个波导参数，从而产生相位变化，实现光波的相位调制。另一方面也可以由Sagnac效应产生。光纤传感原理与应用技术2、相位调制型光纤传感器技术、相位调制型光纤传感器技术2.1 光纤相位调制的普通干涉测量光纤相位调制的普通干涉测量（1）光相干条件）光相干条件两列光波叠加在一起能产生干涉现象，但并非任意两列光波相遇都能产生干涉现象。必要条件：频率相同的两光波在相遇点有相同的振动方向和固定的相位差。补充条件：A-两光波在相遇点所产生的振动的振幅相差不悬殊。B-两

6、束光波在相遇点的光程差不能太大。光纤传感原理与应用技术2.2 四种常见的光纤干涉仪四种常见的光纤干涉仪（1）迈克尔逊）迈克尔逊(Michelson)光纤干涉仪光纤干涉仪 LD光探测器可移动反射镜固定反射镜分光镜光探测器LD固定反射镜可动端S(t)3dB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。光纤传感原理与应用技术2.2 四种常见的光纤干涉仪四种常见的光纤干涉仪（2）马赫）马赫 曾德（曾德（Mach Zehnder）光纤干涉仪）光纤干涉仪 光纤干涉仪与普通的光

7、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。LD光探测器可移动反射镜固定反射镜分光镜1分光镜2图420马赫曾德干涉仪原理图LDS(t)信号处理PD1PD2DC1DC2光纤传感原理与应用技术2.2 四种常见的光纤干涉仪四种常见的光纤干涉仪（3）萨格纳克（）萨格纳克（Sagnac）光纤干涉仪）光纤干涉仪 21光纤耦合光纤耦合器器光纤陀螺是近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

8、应用。与传统的机电陀螺相比，光纤陀螺具有启动快、体积小、成本低等优点，因此它更具有竞争力。光纤传感原理与应用技术2.2 四种常见的光纤干涉仪四种常见的光纤干涉仪（4）法布里）法布里 珀罗（珀罗（Fabry Perot）光纤干涉仪）光纤干涉仪(c)光纤传感原理与应用技术3、偏振调制型光纤传感器技术、偏振调制型光纤传感器技术当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时，其偏振面发生旋转的现象称为法拉第旋转效应。如图312所示，假设有一圆柱形磁光介质，沿着轴线方向外加一稳恒磁场H。在这种情况下，将发生法拉第旋转效应，光波的偏振面绕传输轴连续右旋（相对于H 而言），直至磁光介质的终端，偏振面右旋了某

9、一角度VHL，比例系数V 叫做维尔德（Verdet）系数。3.1 基于磁光效应的偏振调制型光纤传感器基于磁光效应的偏振调制型光纤传感器光纤传感原理与应用技术3、偏振调制型光纤传感器技术、偏振调制型光纤传感器技术3.1 基于弹光效应的偏振调制型光纤传感器基于弹光效应的偏振调制型光纤传感器光纤传感原理与应用技术4、波长调制型光纤传感器技术、波长调制型光纤传感器技术4.1 光纤荧光探测技术光纤荧光探测技术-光纤荧光温度计光纤荧光温度计 荧光测温法的工作机理建立在光致发光这一基本物理现象上。当某些荧光材料受到紫外光激发时会发出荧光，其荧光强度与荧光材料所处的温度环境及激发光强度有关。系统采用稀土 材料

10、作为荧光传感材料，其激励光谱和荧光光谱如图所示，在波长为365nm的紫外光激发下，发出的荧光峰值有两个，分别在540nm和630nm附近。测量源于不同激发态的两条谱线（540 nm和630nm）的发光强度，就可以从光强比导出被测温度。光纤传感原理与应用技术4、波长调制型光纤传感器技术、波长调制型光纤传感器技术4.2 光纤黑体辐射探测技术光纤黑体辐射探测技术-黑体辐射式光纤温度计黑体辐射式光纤温度计 黑体是指能完全吸收入射辐射，并具有最大发射率的物体。绝对黑体是不存在的，所有的物质受热时均发出一定量的热辐射，这种热辐射的量取决于该物质的温度及其材料的辐射系数。对于理想黑体，辐射源发射的光谱能量可

11、用普朗克(Planck)公式表述如下：普朗克公式阐明了黑体光谱辐射通量密度与温度及波长三者之间的关系。对于高温物体，往往是通过测量物体的热辐射能量来确定其表面温度的，即非接触式测温技术。光纤传感原理与应用技术4、波长调制型光纤传感器技术、波长调制型光纤传感器技术4.2 光纤黑体辐射探测技术光纤黑体辐射探测技术-黑体辐射式光纤温度计黑体辐射式光纤温度计 蓝宝石为人工生长的氧化铝，其热稳定性好，强度高，本质绝缘，耐腐蚀，熔点很高，可达2045摄氏度，对微米波长范围的光有良好的透光性，可与探测器的光谱响应范围匹配，是一种优良的近红外耐高温光学材料。蓝宝石单晶光纤的一端涂覆高发射率的感温介质陶瓷薄层，并经高温烧结形成微型光纤感温腔。蓝宝石高温光纤传感器的测温范围为6001800，在800以上时，灵敏度优于1，在1000以上时，分辨率优于0.1，具有高温优越性。