光纤传感技术及其应用培训讲义.ppt

光纤传感技术及其应用 主讲：姜德生（教授，博士导师） 光纤传感技术国家工程实验室 武汉理工大学光纤传感技术研究开发中心 光 纤 传 感 技 术 课 程 内 容 一、概论 光纤的发展与动态 光纤技术的发展与动态 光纤传感的原理与分类 光纤传感的特点 二、光纤传感技术的有关基本概念 光纤传光原理 模式及其对光纤传光的影响 三、传感器的调制技术 强度调制 相位调制 偏振态调制 频率调制 波长调制 四、光纤干涉仪 马赫—曾德尔光纤干涉仪 萨格纳克光纤干涉仪 迈克尔逊光纤干涉仪 法布里—珀罗光纤干涉仪 五、光纤传感器的解调技术 强度解调 相位解调 偏振态解调 频率解调 波长解调 六、光纤传感器系统的设计 光纤传感器系统的组成 光纤传感器系统的设计原则 光纤传感器系统的分类 七、光纤传感器的应用 一、概 论 光纤的发展与动态 1966年高锟博士提出光纤传输的理论(2009年获得诺贝尔奖) 1969年日本平板玻璃公司制出200dB/KM梯度光纤 1970年美国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年美国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 光纤传感器的发展与动态 70年代末，美国最先发表OFS文章 1981年美国召开光纤陀螺会议 1981年英国第一届国际OFS会议 1984年西德第二届OFS会议 1986年美国第三届OFS会议 1988年日本第四届OFS会议 1989年美国第五届OFS会议 2000年意大利第十四届OFS会议 …… 2009年英国第20届OFS会议 2011年加拿大第21届OFS会议 光 纤 的 结 构 光纤的结构 光纤传感器的传光原理 全反射 光纤传光与数值孔径 光 缆 的 结 构 光纤的分类 按基质材料分类 硅酸盐光纤(石英光纤、多组分玻璃光纤等 ) 塑料光纤 氟化物光纤 磷酸盐光纤 液晶光纤 等 按折射率分布分类 阶跃光纤 折射率渐变光纤（自聚焦光纤） 包层微结构光纤 光纤的分类 光纤传感器的基本原理 将被测参量转换为 光信号参数的变化 光纤传感器的调制和解调技术 强度、相位、频率、波长等的调制和解调 光纤模式及其对光信号传输的影响 光 纤 传 感 技 术 光纤传感器与电类传感器对比 光纤传感器的分类 传输型 光纤仅传输信号，不起敏感作用 传感型 光纤既传输信号，又是敏感元件 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 * 大容量 * 高精度 * 尺寸小 * 重量轻 * 非接触式 三、光纤传感器的调制技术 I . 强 度 调 制 强度调制示意图 1. 利用小的线位移或角位移进行强度调制 2. 反射式强度调制 3.利用微弯产生损耗进行强度调制 4. 利用折射率变化进行强度调制 II . 相 位 调 制 III. 偏 振 态 调 制 1. 旋光性 2. 利用磁致伸缩效应的传感器 3.?? 克尔效应（电感应器件）——光纤电压传感器 4. 光弹效应 IV. 频率调制 频率为f 的光入射到相对探测器速度为V 的物体上 则 V. 波长（颜色）调制 1. 利用热色物质的颜色变化进行波长调制 2. 利用黑体辐射进行波长调制 3. 利用位移进行波长调制 四、光纤干涉仪 1． 马赫—曾德尔光纤干涉仪 2. 萨格纳克光纤干涉仪 即： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ① 式中： Ω为角速度， λ为光源波长， 为相位移，c为光速，A为光纤陀螺面积，N为光纤圈的个数 目前， 的测量水平可达10-11~10-12水平，可取10-10，λ为1.5× 10-6米，c为3 × 108米/秒，A≈ 2× 10-3米2，N= 103 ，代入①式，可得 3. 迈克尔逊光纤干涉仪 4. 法布里—珀罗（F—P）光纤干涉仪 五、光信号的解调技术 1. 强度解调 单光路微弱光信号解调 双光路弱光信号 2. 光波相位解调 被动零差法 相位跟踪零差法 外差法