光纤传感课件ch5_光纤传感器基本的原理.ppt

第五章 光纤传感器基本原理 第六章 光纤机械量传感器 第七章 光纤热工量传感器 第八章 光纤电磁量传感器 第九章 医用光纤传感器 ;第五章 光纤传感器基本原理;第五章 光纤传感器基本原理;光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点，如灵敏度高，抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接，结构简单，体积小，重量轻，耗电少等。 由于有这些优点，因而逐渐在科研和其他领域获得广泛的应用。;一、传感器的定义;描述传感器输入 – 输出关系的方法： 数学模型 基本特性指标;;1. 代数方程;2. 特性曲线;传感器主要静态特性指标;;;各指标定义如下： ① 上升时间tr 输出由稳态值的10%变化到稳态值的90%所用的时间。 ② 响应时间ts 系统从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所规定的范围内所需要的时间。 ③ 峰值时间tp 阶跃响应曲线达到第一个峰值所需时间。 ④ 超调量σ 传感器输出超过稳态值的最大值ΔA，常用相对于稳态值的百分比σ表示。 ;;光纤传感器按传感原理可分为： 功能型和非功能型。 光纤传感器还可按被调制的光波参数划分。 ; 1）功能型（全光纤型）光纤传感器 功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，所以也称传感型光纤传感器，或全光纤传感器。 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。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、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。; 2）非功能型（或称传光型）光纤传感器 非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号。所以也称为传光型传感器或混合型传感器。 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。光纤不连续。此类光纤传感器无需特??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。;由于，在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述： ;5.2 强度调制机理; 5.2.1 反射式强度调制;输出光纤端面受光锥照射的表面所占的百分比为;被输出光纤接收的入射光功率百分数为(F被称为耦合效率);d;5.2.2 透射式强度调制;采用双透镜系统使入射光纤在出射光纤上聚焦，遮光屏在垂直于两透镜之间的光传播方向上下移动。这种传感器光耦合计算方法与反射式传感器是一样的。在上述的简化分析限定范围内，图（a）中可移动遮光屏及两透镜的半径为r的光柱相交叠面积占光斑面积的百分比α可表示为：; 不用透镜的两光纤直接耦合系统图（b），结构虽然简单，但也能很好地工作。只是接收光纤端面只占发射光纤发出的光锥底面的一部分，使光耦合系数减小，灵敏度也降低一个数量级 (r/dT)2。 ;利用两个周期结构的光栅遮光屏传感器．通过一对光栅遮光屏的透射率，从50％(当两个屏完全重叠时)变到零(当一个屏的不透明条完全覆盖住另一个屏的透明部分)。在此周期性结构范围内，光的输出强度是周期性的。而且它的分辨率在光栅条纹间距的10-6数量级以内。这是能够构成很灵敏、很简单、高可靠的位移传感器的基础。 ;5.2.3 光模式强度调制; 变形器的位移改变了弯曲处的模振幅，从而产生强度调制。 对于抛物线(或平方律或梯度)折射率分布的光纤。变形器的临界空间周期为 ; 光纤由变形器引起微弯变形时，纤芯中的光有一部分逸出到包层。若采取适当的方式探测光强的变化，则可知道位移的变化量，据此可以制作出温度、压力、振动、位移、应变等光纤传感器。;光纤传播模式的改变，还可以改变光纤模斑斑图，依据模斑图形的变化也可进行光模式强度调制。多模光纤出射的远场光斑就像一个切开的“西瓜”，“亮”、“黑”无规则地相间变化。;5.2.4 折射率强度调制; 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n2与纤芯折射率n1之间的差值是恒定的。当温度变化时， n2 、 n1之间的差发生变化，从而改变传输损耗。因此，以某一温度时接收到的光强为基准，根据传输功率的变化可确定温度的变化。;利用这一原理可以构成温度报警装置。这类传感器具有电绝缘性好、防爆性强、抗电磁干扰等特点。因此，它适用于大型电机、液化天然气罐及火警等报警系统。; 二、渐逝波耦合型 通常