光纤传感网器件与技术(杨明红等 著)思维导图

SM、PM
a
SM、PM
a
SM、PM
a
SM、PM
a
SM、PM
a
MM
b
MM
b
MM
b
SM
b
MM
b
MM
b
MM
b
SM
b,a
MM
b
SM
b
MM
b
型 频率调制 多普勒效应 光纤温度 受激喇曼散射 传感器 光致发光
速度、流速、振动、加速度 气体浓度 温度
MM
c
MM
b
MM
b
注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型 光纤理论与技术
遮光板遮断光路
位移
半导体透射率的变化 温度
强度调制 荧光辐射、黑体辐射 温度
非 光纤温度 光纤微弯损耗
振动、压力、加速度、位移
传感器 振动膜或液晶的反射 振动、压力、位移
气体分子吸收
气体浓度
干
光纤漏泄膜
液位
偏振调 法拉第效应 制光纤 泡克尔斯效应 涉 温度传 双折射变化 感器 光弹效应
电流、磁场 电场、电压、 温度 振动、压力、加速度、位移
光纤理论与技术
第十章：克服困难中带来的副产品——光纤传感原理与技术
§10.2 几种主要的光纤传感器
§10.2.1 光纤陀螺
光纤理论与技术
第十章：克服困难中带来的副产品——光纤传感原理与技术
§10.2.1.1 光纤陀螺的优点
光纤陀螺基于Sagnae效应，与机电陀螺或激光陀螺相比。
具有如下显著特点：
信号处理
光发送器 光受信器
光纤
敏感元件

光纤传感技术全
6
、
露
凝
无
游
氛
ห้องสมุดไป่ตู้
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
1
0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联

光导纤维的主要参数

1. 数值孔径（NA）
2. 光纤模式
3. 传播损耗
返返 回回
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1. 数值孔径（NA）
2 NA sin i n12 n2

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。
差动式膜片反射型光纤压力传感器
1．输出光纤
2．输入光纤
3．输出光纤
4．胶
5．膜片
I 2 1 Ap A―常数； 两束输出光的光强之比 I 1 1 Ap p―待测量压力
输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关
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将上式两边取对数，在满足(Ap)2≤1时，得到
传感器的固有频率可表示为
2.56t gE fr p 2 2 R 3 (1 )
式中, ρ――膜片材料的密度； g――重力加速度。 结构简单、体积小、使用方便， 光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，
其精度就要受到影响。
返
回
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The most commonly used type of fiberoptic sensor is an intensity sensor, where light intensity is modulated by an external stimulus
光纤传感器强度调制
非 干 涉 型
光纤传感器偏振调制
光纤传感器频率调制
注：MM——多模光纤；SM——单模光纤；PM——偏振保持光纤
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2.2 四种常见的光纤干涉仪 （3）萨格纳克（Sagnac）光纤干涉仪
8 A 0c
1
2
光纤耦合器
光纤陀螺是近20年来发展起来的一门新技术，除了在航空航天技术中用于导 航、制导、定位外，也可用于石油钻井中跟踪钻头位置、机器人控制、汽车 以及在其他测量角度的系统中应用。与传统的机电陀螺相比，光纤陀螺具有 启动快、体积小、成本低等优光纤点传，感原因理此及应它用更技具术课有件竞争力。
B-两束光波在相遇点的光程差不能太大。
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （1）迈克尔逊(Michelson)光纤干涉仪
LD 分光镜
固定反射镜
可移动 反射镜
光探测器
LD 光探测器
固定反射镜 3dB
可动端S(t)
2k0L
光纤干涉仪与普通的光学干涉仪相比，优点在于： （1）容易准直； （2）可以通过增加光纤长度来增加光程，以提高干涉仪的灵敏度； （3）封闭式的光路，不受外界干扰； （4）测量的动态范围大。
Fiber
Fiber
图3 光纤传感器传感探头具体的结构形式 Fig.3 Diagram of the fiber-optic temperature sensor probe
图416 光吸收系数强度调制辐射量传感器
射线辐射会使光纤材料的吸收损耗 增加，使光纤的输出功率降低，从 而构成强度调制辐射量传感器光。纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （4）法布里珀罗（FabryPerot）光纤干涉仪
(c)
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
3、偏振调制型光纤传感器技术

3、法拉第电流传感器
法拉第电流传感器是利用光纤的磁光效应实现电流丈量的，按调制参 数分类，那么属于偏振调制型。 磁光效应，又称法拉第〔Faradag〕效应，是指某些物质在外磁场的作 用下，使经过它的线偏振光的偏振方向发生偏转。假设法拉第资料的 长度为l，沿长度方向施加的外磁场强度为H，那么线偏振光经过它后 偏振方向旋转的角度为
传感器光学现象被测量相位调制光线传感干涉磁致伸缩干涉电致伸缩sagnac效应光弹效应电流磁场电场电压角速度振动压力加速度位移温度强度调制光纤传感器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄模温度振动压力加速度位移气体浓度偏振调制光纤传感器法拉第效应泡兊尔斯效应双折射变化光弹效应电流磁场电场电压温度振动压力加速度位移频率调制光纤传感器多普勒效应受激喇曼散射速度流速振动加速度气体浓度温度52光传感技术分类根据光纤在传感器中的作用分为功能型非功能型和拾光型
1〕光纤光栅位移传感器 (1) 利用悬臂梁的位移传感器 最根本的、比较早出现的光纤光栅位移传感器，其构造图如下图。
❖ 左侧为被丈量的物体，该物体经过一个 突出物作用于竖直放立的悬臂梁，而光 纤Bragg光栅就是简单的直接粘贴在悬 臂梁上，这样就可以经过悬臂梁把被测 物体的位移转变为光纤光栅的应变了。
波长调制： 热色物质温度
颜色
波长调制
相位调制： 外界要素改动光纤中光的相位。 光纤中光的相位取决于 光纤波导的物理长度 折射率及其分布 波导横向尺寸
5.2 光传感技术分类
传感器
相位
干 调制 涉 光线 型 传感
器
强度调
非
制光纤 传感器
光学景象
干涉〔磁致伸缩〕、干涉〔电致伸 缩〕、Sagnac效应、光弹效应

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 ：分为光纤温度传感器、光纤浓度 传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器。 2．按光纤中光波调制的原理分类 ：分为强度调制型光 纤传感器、相位调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感 器、频率调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器。 3．按光纤在传感器中的作用分类 ：分为功能型光纤传 感器（FF型，function fiber）和非功能型光纤传感器（ NFF型，non function fiber）
光纤传感器与常规传感器相比，有如下优点： 1.具有很高的灵敏度。 2.频带宽动态范围大。 3.光纤直径只有几微米到几百微米；抗拉强度为铜 的17倍。而且光纤柔软性好，可根据实际需要作 好各种形状，深入到机器内部或人体弯曲的内脏 等常规传感器不宜到达的部位进行检测。 4.测量范围很大，如测量物理量有：声场、磁场、 压力、温度、加速度、转动、位移、液位、流量 、电流、辐射等。
l
( n1 L n1 )
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
9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 光纤传感器的原理结构及种类 光的传输原理 光导纤维传感器的类型 功能型光纤传感器 非功能型光纤传感器 光纤传感器的应用
光纤即光导纤维是20世纪70年代的重要发明之一，它与激 光器、半导体探测器一起构成新的光学技术，创造了光电 子学新领域。光纤的出现产生了光纤通讯技术，特别是光 纤在有线通讯网的优势越来越突出，它为人类21世纪的通 讯基础------信息高速公路奠定了基础，为多媒体（符号 、数字、语言、图形和动态图象）通信提供了实现的必须 条件。 光纤传感器始于1977年，经过数十年的研究，光纤传感 器取得了十分重要的进展，对军事、航天航空技术和生命 科学等的发展起着十分重要的作用。

机械保护作用; • 纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能
量主要在纤芯内传输; • 纤芯和包层的相对折射率包层差（n2）= (n1n2)/n1的典纤型芯值（n，1）
一般单模光纤为0.3%~0.6%，多模光纤为1%~2%。 越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传 输容量却越小。
• 光纤种类繁多，但最重要的也是最基本的有三种：
2a3
③ 凸透镜耦合(一n2 般在25a0% c 左右2a2 )
2a1
④
自聚焦光纤n1 (一般2an 在50%θγ1左右γ)3
S拆开点d
γn
r
激光器
自聚焦透镜θ
圆锥形光纤（透镜）耦合
光纤
2an 光纤
端z 面球R透镜耦合示意
⑤ 圆锥形透镜耦合(数值孔径是平端光纤的an/a1
倍。这种耦合效率可高达双9凸0透%镜L以耦T/4 合上光路。)
与传统的传感器相比，光纤传感器的主要特点是： ① 抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全； ② 灵敏度高； ③ 重量轻、体积小、外形可变； ④ 测量对象广泛，如温度、压力、位移、速度、加
速度、液面、流量、振动、水声、电流、磁场、 电压、杂质含量、液体浓度、核辐射等； ⑤ 对被测介质影响小； ⑥ 便于复用、便于成网； ⑦ 成本低。
脉冲的畸变情况比较如下: tLeabharlann rAit Ao
～10µｍ
（c） 125µｍ n t t
a）突变型多模光纤 b）渐变型多模光纤 c）单模光纤
6.1.4 光纤的数值孔径 数值孔径是光纤传输光线的重要特征参数，
用来计量光纤的受光能力。
θ
θc
o
2 3
3 θ1
2 ψc
l
L

a类：功能型 FF b类：非功能 型NF
C类：拾光型 NF
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(a) 功能型（全光纤型）光纤传感器

光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是 敏感元件，光在光纤内受被测量调制。 优点：结构紧凑、灵敏度高。 缺点：须用特殊光纤，成本高，
典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。
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(b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器
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光纤按折射率变化类型分类
按纤芯到包层折射率变化： 阶跃折射率光纤 渐变折射率光纤
光纤模式
光纤模式:光波沿光导纤维传播的途径和方式。 以不同角度入射的光线在(n1和n2)界面上的反射次 数是不同的。 光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿 横切向传播的两种平面波成分。后者在纤芯和包 层的界面上会产生全反射。当它在横向往返一次 的相位变化为2π的整数倍时，将形成驻波。形成 驻波的光线组称为模。 在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不利 的，导致合成信号的畸变，因此我们希望模式数 量较少为好。
n0 sin i n1 sin j
n1 sin k n2 sin r
sin i (n1 / n0 ) sin j
j 90 k
n1 n1 sin i (n1 / n0 ) sin(90 k ) cos k 1 sin 2 k n0 n0
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光在光纤中的全反射
光的全反射实验
数值孔径（NA）
NA sin i 0 n1 n2
2 2

NA 反映纤芯接收光量的多少，标志光纤集光性能。