第七章光纤传感器
第七章 光纤传感器
9.1光纤传感器的原理结构及种类 9.1.1光纤传感器的原理 光纤传感系统的基本原理是：光纤中光波参数（如光强、频率、波 长、相位以及偏振态等)随外界被测参数的变化而变化，所以，可通过 检测光纤中光波参数的变化以达到检测外界被测物理量的目的。 图9.1光纤传感器构成示意图 9.1.2光纤的结构 光纤是一种传输光信息的导光 纤维，主要由高强度石英玻璃、常 规玻璃和塑料制成。 图9.2光纤的基本结构 第9章光纤传感器
第9章 光纤传感器 9.1 光纤传感器的原理结构及种类 9.1.1 光纤传感器的原理 光纤传感系统的基本原理是：光纤中光波参数（如光强、频率、波 长、相位以及偏振态等）随外界被测参数的变化而变化，所以，可通过 检测光纤中光波参数的变化以达到检测外界被测物理量的目的。 9.1.2 光纤的结构 图9.1 光纤传感器构成示意图 光纤是一种传输光信息的导光 纤维，主要由高强度石英玻璃、常 规玻璃和塑料制成。 图9.2 光纤的基本结构
9.1.3光纤的种类 光纤按纤芯和包层材料性质分类，有玻璃光纤和塑料光纤两大类； 按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型两种。 1.阶跃型光纤（折射率固定不变） 2.梯度型光纤（纤芯折射率近似呈平方分布） 图9.3光纤的种类和光传播形式 第9章光纤传感器
第9章 光纤传感器 9.1.3 光纤的种类 光纤按纤芯和包层材料性质分类，有玻璃光纤和塑料光纤两大类； 按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型两种。 1．阶跃型光纤（折射率固定不变） 2．梯度型光纤（纤芯折射率近似呈平方分布） 图9.3 光纤的种类和光传播形式
9.2光的传输原理 9.2.1光的全反射定律 光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。 图9.4光线在临界面上发生的内反射示意图 第9章光纤传感器
第9章 光纤传感器 9.2 光的传输原理 9.2.1 光的全反射定律 光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。 图9.4 光线在临界面上发生的内反射示意图
9.2.2 光纤的传光原理 图9.5阶跃型多模光纤中子午光线的传播 只有在光纤端面一定入射角范围内的光线才能在光纤内部产生全 反射而传播出去。能产生全反射的最大入射角可以通过临界角定义求 得。 光纤的数值孔径(NA) sina.=1话=Na no 数值孔径是衡量光纤集光性能的一个主要参数，它决定了能被传 播的光束的半孔径角的最大值日。，反映了光纤的集光能力。石英光纤 的W=0.20.4。 第9章光纤传感器
第9章 光纤传感器 9.2.2 光纤的传光原理 只有在光纤端面一定入射角范围内的光线才能在光纤内部产生全 反射而传播出去。能产生全反射的最大入射角可以通过临界角定义求 得。 光纤的数值孔径（NA） 数值孔径是衡量光纤集光性能的一个主要参数，它决定了能被传 播的光束的半孔径角的最大值qc，反映了光纤的集光能力。石英光纤 的N A=0.2～0.4。 图9.5 阶跃型多模光纤中子午光线的传播 2 2 c 1 2 A 0 1 sin n n N n q = - =
9.3光导纤维传感器的类型 9.3.1光纤传感器的分类 1.按测量对象分类 2.按光纤中光波调制的原理分类 3.按光纤在传感器中的作用分类 9.3.2功能型和非功能型光纤传感器 1.功能型光纤传感器 功能型光纤传感器主要使用单模光纤，它是利用对外界信息具有敏感 能力和检测功能的光纤，构成“传”和“感”合为一体的传感器。 图9.6功能型光纤传感器的原理结构图 第9章光纤传感器
第9章 光纤传感器 9.3 光导纤维传感器的类型 9.3.1 光纤传感器的分类 1．按测量对象分类 2．按光纤中光波调制的原理分类 3．按光纤在传感器中的作用分类 9.3.2 功能型和非功能型光纤传感器 1．功能型光纤传感器 功能型光纤传感器主要使用单模光纤，它是利用对外界信息具有敏感 能力和检测功能的光纤，构成“传”和“感”合为一体的传感器。 图9.6 功能型光纤传感器的原理结构图
2.非功能型光纤传感器 在非功能型光纤传感器 中，光纤不是敏感元件，它 只起到传递信号的作用。传 感器信号的感受是利用光纤 的端面或在两根光纤中间放 置光学材料、机械式或光学 式的敏感元件，感受被测物 理量的变化。 图9.7非功能型光纤传感器敏 感元件在中间原理结构图 9.3.3光纤传感器的主 要部件 1.光源 2.耦合器 3.探测器 4.连接器 图9.8非功能型光纤“敏感元件+发光元件” 组合体原理结构图 第9章光纤传感器
第9章 光纤传感器 2．非功能型光纤传感器 在非功能型光纤传感器 中，光纤不是敏感元件，它 只起到传递信号的作用。传 感器信号的感受是利用光纤 的端面或在两根光纤中间放 置光学材料、机械式或光学 式的敏感元件，感受被测物 理量的变化。 9.3.3 光纤传感器的主 要部件 1．光源 2．耦合器 3．探测器 4．连接器 图9.7 非功能型光纤传感器敏 感元件在中间原理结构图 图9.8 非功能型光纤“敏感元件+ 发光元件” 组合体原理结构图
9.4功能型光纤传感器 9.4.1相位调制型光纤传感器 1.相位调制的原理 由普通物理学知道，在一段长为L的单模光纤（纤芯折射率)中，波长 为入的输出光相对于输入端来说，其相位角为 2πn,L 九 当光纤受到外界物理量的作用时，则光波的相位角变化为 △中= 经(naU+m)-2(a5+M) 这样，就可以应用光的相位检测技术测量出温度、压力、加速度、电流 等物理量。 干涉测量仪的基本原理：光源的输出光都被分束器（棱镜或低损耗光纤 耦合器)分成光功率相等的两束光（也有的分成几束光），并分别耦合到两 根或几根光纤中去。在光纤的输出端再将这些分离光束汇合起来，输到一个 光电探测器，这样在干涉仪中就可以检测出相位调制信号。因此，相位调制 型光纤传感器实际上为一光纤干涉仪，故又称为干涉型光纤传感器。 第9章光纤传感器
第9章 光纤传感器 9.4 功能型光纤传感器 9.4.1 相位调制型光纤传感器 1．相位调制的原理 由普通物理学知道，在一段长为L的单模光纤（纤芯折射率n1）中，波长 为l的输出光相对于输入端来说，其相位角f为 当光纤受到外界物理量的作用时，则光波的相位角变化为 这样，就可以应用光的相位检测技术测量出温度、压力、加速度、电流 等物理量。 干涉测量仪的基本原理：光源的输出光都被分束器（棱镜或低损耗光纤 耦合器）分成光功率相等的两束光（也有的分成几束光），并分别耦合到两 根或几根光纤中去。在光纤的输出端再将这些分离光束汇合起来，输到一个 光电探测器，这样在干涉仪中就可以检测出相位调制信号。因此，相位调制 型光纤传感器实际上为一光纤干涉仪，故又称为干涉型光纤传感器。 1 2 n L f l = 1 1 1 L 1 2 2 L f n L L n n n l l = + = + ( ) ( )
2.应用举例 若传感光纤受物理量的作 用，则光纤的长度、直径和折 射率将会发生变化，将会引起 传播光的相位角也发生变化。 如果在传感光纤和参考光 纤的汇合端放置一个光电探测 器，就可以将合成光强的强弱 变化转换成电信号大小的变化， 如图9.10所示。 图9.9测量压力或温度的相位调制型光纤传感器原理图 图9.10输出光电流与光相位变化的关系 第9章光纤传感器
第9章 光纤传感器 2．应用举例 若传感光纤受物理量的作 用，则光纤的长度、直径和折 射率将会发生变化，将会引起 传播光的相位角也发生变化。 如果在传感光纤和参考光 纤的汇合端放置一个光电探测 器，就可以将合成光强的强弱 变化转换成电信号大小的变化， 如图9.10所示。 图9.9 测量压力或温度的相位调制型光纤传感器原理图 图9.10 输出光电流与光相位变化的关系
9.4.2光强调制型光纤传感器 光强调制型光纤传感器的工作原理是利用外界因素改变光纤中光的强度， 通过检测光纤中光强的变化来测量外界的被测参数，即强度调制。 1.微弯损耗光强调制 图9.11微弯损耗光强调制器及其传感器 第9章光纤传感器
第9章 光纤传感器 9.4.2 光强调制型光纤传感器 光强调制型光纤传感器的工作原理是利用外界因素改变光纤中光的强度， 通过检测光纤中光强的变化来测量外界的被测参数，即强度调制。 1．微弯损耗光强调制 图9.11 微弯损耗光强调制器及其传感器