5.3光纤传感器(课件）《传感器检测技术》同步教学（机械工业出版社）

2024-01-07

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5.3光纤传感器光纤传感器定义：利用光纤制成的传感器光纤传感器(Fiber Optical Sensor, FOS)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。上一页下一页返回 2 光纤传感器光纤传感优点： ①电绝缘性能好。 ②抗电磁干扰能力强。 ③非侵入性。 ④高灵敏度。 ⑤容易实现对被测信号的远距离监控。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量上一页下一页返回光纤传感器光导纤维的结构和导光原理光导纤维的主要参数光纤传感器结构原理光纤传感器的分类光纤传感器的特点光纤传感器的应用上一页下一页返回 4 斯乃尔定理光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本原理。一、斯乃尔定理(Snell's Law) 斯乃尔定理:当光由光密物质(折射率大)出射至光疏物质(折射率小)时,发生折射。其折射角大于入射角,即：即n1＞n2时，θr＞θi 上一页下一页返回 n1sinθi=n2sinθr n1、n2、θr、θi之间的数学关系为可见，入射角θi增大时，折射角θr也随之增大，且始终θr＞θi。 5 斯乃尔定理（a）折射角大于入射角：（b）临界状态：（c）全反射：上一页下一页返回 6 光导纤维的结构和导光原理结构：圆柱形内芯和包层组成，直径5~100μm。光纤的传光能力主要取决于纤芯和包层的物质上一页下一页返回 7 光导纤维的结构和导光原理上一页下一页返回纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤心折射率n1比包层折射率n2稍大些．两层之间形成良好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。 8 光纤导光原理上一页下一页返回 9 n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n0≈1 上一页下一页返回 10 当θr =90°的临界状态时， Sin θi0 定义为“数值孔径”NA（Numerical Aperture） ⊿--相对折射率上一页下一页返回 11 光纤导光原理 12 光纤传感器的主要元器件 1）. 数值孔径（NA） 2）.传播损耗 3）.光纤的强度上一页下一页返回上一页下一页返回 1、光纤： 13 1）. 数值孔径（NA）反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意义：无论光源发射功率有多大，只有2θi张角之内的光功率能被光纤接受传播。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。上一页下一页返回 14 2）. 光纤损耗上一页下一页返回损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响强度越高越好 3）. 光纤强度 15 上一页下一页返回 2、光源 1.白炽灯 2.LED 3.固体激光器 4.半导体激光器 16 选择光源的准则由于光纤传感器中光纤细而长，若使光波能在其中正常传播，并满足测量要求，则对光源的结构与性能有一定要求： (1)由于光纤传感器结构所限，要求光源的体积小，便于与光纤耦合； (2)光源要有足够的亮度，以提高传感器输出的光功率； (3)光源发出的光波长应适合，以减少光波在光纤中传闭时的能量损耗； (4)光源工作时稳定性好、噪声小，能在室温下连续长期工作； (5)光源要便于维护，使用方便。 17 上一页下一页返回 3、检测器 (1)线性好，按比例地将光信号转换为电信号； (2)灵敏度高，能敏感微小的输入光信号，并输出较大的电信号； (3)响应频带宽、响应速度快，动态特性好； (4)性能稳定，噪声小等。 1.半导体光电检测器:光电二极管、光敏电阻、光电池 2.光电倍增管常用检测器 18 光纤传感器结构原理光纤传感器是把被测量转换为可测的光信号的装置，由光发送器、敏感元件（光纤或非光纤的）、光接收器、信号处理系统及光纤构成，上一页下一页返回光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。 19 光纤传感器光学测量的基本原理光就是一种电磁波，它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动光的电矢量E 可见，只要使光的强度、偏振态(矢量的方向)、频率和相位

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