第四章 光纤传感器.pptVIP

分类内容光纤传感器电类传感器调制参量振幅：吸收、反射等相位：偏振…电阻、电容、电感等敏感材料温-光敏、力-光敏、磁-光敏…温-电敏、力-电敏、磁-电敏…传输信号光电传输介质光纤、光缆电线、电缆光纤传感器是与电类传感器并行互补的一类新型传感器。光纤传感器与电类传感器比较第29页，共72页，星期日，2025年，2月5日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。第30页，共72页，星期日，2025年，2月5日光纤传感器结构第31页，共72页，星期日，2025年，2月5日按照光纤在传感器中的作用，通常将光纤传感器分为两种类型：非功能型（或称传光型、结构型）和功能型（或称传感型、探测型）。非功能型光纤传感器：利用其它敏感元件感受被测量，光纤仅作为传输介质，依靠光传输或光反射引起的强度调制来工作；光纤是不连续的,中断处要接上其他介质的敏感元件；多使用多模光纤。功能型光纤传感器：把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输光的强度、相位、偏振态等进行调制，再通过解调得到被测信号；常使用单模光纤。光纤传感器分类第32页，共72页，星期日，2025年，2月5日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。第33页，共72页，星期日，2025年，2月5日1，非功能性：通过光束位移、遮挡、耦合等方式使接收光纤的光强变化。光反射依靠折射率变化测液位：光强调制型光纤传感器光传输第34页，共72页，星期日，2025年，2月5日光纤微弯曲位移（压力）传感器2，功能型：通过改变光纤外形、折射率差、吸收特性等方式使光强变化。当光线到达微弯曲段界面时，入射角将小于临界角，有一部分光透射进入包层。主要用于微弯曲位移检测和压力检测。光强调制型光纤传感器x、γ射线等辐射会引起光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而可以构成强度调制器。第35页，共72页，星期日，2025年，2月5日在频率调制型光纤传感器中，光纤只起着传输光的作用，它的工作原理是光学多普勒效应，即由于观察者和目标的相对运动，观察者接收到的光波频率将发生变化。采用光学多普勒测量系统，可以方便的实现在非接触条件下对液体流速流量的测量，如血液、气流及其他液体。（非功能型）频率调制型光纤传感器光源观测者被测量移动速度v被测量第36页，共72页，星期日，2025年，2月5日当一束波长为λ的相干光在光纤中传播时，光波的相位角与光纤的长度L、纤芯折射率n1及纤芯直径d有关。光纤受到温度等物理量的作用时，这三个参数会发生不同程度的变化，从而引起光相移。相位调制型光纤传感器折射率改变：某些光纤的纤芯线和外包封材料在温度下降时折射率相互接近，使发生全反射的可能变小，传输损耗增大，用于低温探测。第37页，共72页，星期日，2025年，2月5日由于光的频率很高，光电探测器不能检测相位的变化，因此需要用光学干涉技术将相位调制转换为振幅调制。在光纤传感器中常采用马赫－泽德（Mach-Zehader）干涉仪等仪器完成这一过程。单膜光纤＋激光器参考光纤被调制光纤被测量激光器比较二者输出相位的不同，最小可测得0.025微米的位移。相位调制型光纤传感器第38页，共72页，星期日，2025年，2月5日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。光波是一种横波：光振动的电场矢量E和磁场矢量H始终与传播方向v垂直。第39页，共72页，星期日，2025年，2月5日如果光在传播过程中，只存在某一确定方向的振动，这种光称为线偏振光或完全偏振光，简称偏振光。偏振态