[工学]第四章8 光纤传感器.pptVIP

4.8光纤传感器 4.8.1 光纤传感器 概述 光纤的发展 1966年高琨博士提出光纤传输的理论 1969年日本平板玻璃公司制出200dB/KM梯度光纤 1970年美康宁公司制出世界第一根20dB/KM低损耗光纤 1972年日本电子技术综合研究所制出7dB/KM SiO2芯光纤 1973年美贝尔实验室用化学沉积法（CVD）制光纤 1978年对1.5μm光传输接通理论值约0.2dB/KM 1980年光通讯产业形成 一：光纤传感器的光源 见网页 二：光纤传感器的光探测器 第十章介绍的常用的光探测器： 光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管等 光纤结构 数值孔径（Numerical Aperture） 光纤的数值孔径大小与几何尺寸无关，与纤芯—包层相对折射率有关。 光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。NA越大，则光纤接收光的能力也越强。 数值孔径大有利于光纤的对接。 可以使光纤NA值很大而截面积很小，使得光纤柔软可以弯曲。 NA太大时，光信号的畸变加大，会影响光纤的带宽。因此对光纤的数值孔径有一定的要求。通常作为传感器的光纤0.2≤NA0.4。 光波可分解为沿轴向和沿截面径向传播的两种平面波成分。沿截面径向传播的光波在纤芯与包层的界面上产生全反射，因此当它在径向每一次往返传输的相位变化是2π的整数倍时，就在截面内形成驻波。这种驻波光线组又称为“模”。某一种光纤只能形成特定数目的“模”式来传输光波，传播速度最快的模式称为基模或主模。纤芯直径越大，传播模式越多。 光纤模式及对光信号传输的影响 色散 色散——指一个光脉冲信号通过光纤时，由于光纤材料等因素的影响，在输出端光脉冲被展宽，出现明显失真的现象。 色散影响光纤传输信息的容量和速率。 色散和带宽都是衡量光脉冲展宽大小的参数。色散越小，所产生的脉冲展宽就越小，带宽就越大，传送的信息量就越大，可传输的距离就越长。 色散的种类：材料色散、模式色散和波导色散。 色散 材料色散：纤芯的折射率随光波长而变化引起的色散，由光纤材料自身特性造成，又称颜色色散。?? 光源发出的光不是理想的单一波长，而是有一定的波谱宽度。?? 当光在折射率为n的介质中传播时，其速度v与空气中的光速C之间的关系为：v=C/n?? 当具有一定光谱宽度的光脉冲射入光纤时，光的传输速度将随光波长的不同而改变，到达终端时将产生时延差，从而引起脉冲波形展宽。 模式色散：在多模光纤中，传输的模式很多，不同的模式传输路径不同，到达终点的时间也就不同。光纤的时延差引起了脉冲的展宽。 色散 波导色散：由于光纤的传输常数随光线波长而呈现非线性变化引起的色散叫做波导色散。 由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交界面可能有一部分光进入包层之内。在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。 把一定谱宽的光源发出的光脉冲射入光纤后，入射光的波长越长，进入包层中的光强比例就越大，这部分光走过的距离就越长。 色散 一般来说，光纤三种色散的大小顺序是： 　　　　 模式色散 材料色散 波导色散 对于多模光纤，总色散等于三者相加，起主导作用的是模式色散，其他两个色散影响很小。 对于单模光纤，只有一个传输模式，故不存在模式色散，其总色散为材料色散和波导色散之和。为减小总的波长色散，要尽量选用窄谱线激光器作光源。 光在普通光纤中的传输 光纤传感器与电类传感器比较 光纤传感器与电类传感器比较 光纤传感器的特点 本质防爆——适合于易燃、易爆等危险物品检测? 对电绝缘——适合于高电压场合检测? 无感应性——适合于强电磁场干扰环境下检测 化学稳定性——适合于环保、医药、食品工业检测? 时域变换性——适合于多点分布测量? 低损耗 、高精度 、几何形状适应性强、尺寸小 、重量轻?、频带宽、非接触式等? 在机械、电子、航空航天、化工、生物医学、电力、交通、食品等领域的自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警以及军事等方面都有广泛应用。 光纤传感器分类 根据光被调制的原理，光纤传感器分为：强度调制型、频率调制型、波长调制型、相位调制型及偏振态调制型。 光纤传感器的核心就是光被外界输入参数的调制。外界信号可能引起光的某些特性(如强度、波长、频率、相位、偏振态等)变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态等调制器。 根据被测参数，光纤传感器也可分为：光纤位移传感器、光纤压力传感器、光纤温度传感器等。 偏振态调制型光纤传感器 自然光 ：在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的光矢量呈对称分布。可用相互垂直的光振动描述自然光。 偏振态调制型光纤传感器 偏振态