光纤传感技术与应用-第一章-光纤传感器ppt课件.ppt

光纤传感技术与应用;课程内容;7 光电传感技术在电力系统的应用 8 光电传感技术在石油与化工行业的应用 9 光电传感技术在生物、生医生化领域的应用 10 光电传感技术在航空航天领域的应用 11 光电传感技术在国防领域的应用 12 光电传感技术在环境保护与监测中的应用;1.1 概述 1.2 振幅调制传感型光纤传感器 1.3 相位调制传感型光纤传感器 1.4 偏振态调制型光纤传感器 1.5 波长调制型光纤传感器 1.6 光纤荧光温度传感器 1.7 分布式光纤传感器 1.8 聚合物光纤传感器 1.9 光子晶体光纤及其在传感中的应用 1.10 传光型光纤传感器 1.11 光纤传感技术的发展趋势及课题 1.12 小结;光纤有很多的优点，用它制成的光纤传感器（FOS）与常规传感器相比也有很多特点：抗电磁干扰能力强、高灵敏度 、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单、以及与光纤传输线路相容等。 光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。;一.光纤的结构 光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。光纤的结构如图1所示，它由折射率n1较大(光密介质)的纤芯，和折射率n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。 ; 同理，由图1和Snell定律可导出光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角)为 ????????????????????????????????? ? (3) 式中NA——定义为“数值孔径”。它是衡量光纤集光性能的主要参数。它表示：无论光源发射功率多大，只有2θc张角内的光，才能被光纤接收、传播(全反射)；NA愈大，光纤的集光能力愈强。产品光纤通常不给出折射率，而只给出NA。石英光纤的NA=0.2～0.4。;1.1 概述;1.1.2 光纤传感器的特点 抗电测干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全 灵敏度高 重量轻，体积小，外形可变 测量对象广泛 对被测介质影响小 便于复用，便于成网 成本低;1.2 振幅调制传感型光纤传感器 利用外界因素引起的光纤中光强的变化来探测物??量等各种参量的光纤传感器称为振幅调制传感型光纤传感器；对被测介质影响小 改变微弯状态 改变耦合条件 用来改变光纤中光强的办法 改变吸收特性 改变折射率分布 ;1.1.2 光纤微弯传感器 原理：利用微弯损耗的变化，来探测外界物理量的变化。 微弯损耗：多模光纤微弯时，部分芯模能量转化为包层模能量。通过测量芯模能量或包层能量的变化来测量位移或振动等参量。 ;1.1.2 光纤受抑全内反射传感器 一、透射式 原理：全内反射 缺点：需要精密的机械调整和固定装置，不利于现场环境使用。 ;二、反射式 原理：也可以利用外界介质折射率变化，改变临界全反射条件，使反射光强变弱，从而测量外界物理量变化。 特点：这种结构简单，无机械固定装置，稳定性好 ;1.2.3 光纤辐射传感器 原理：X射线、γ射线会使光纤的吸收损耗增加，输出端功率下降。 特点：灵敏度高、线性范围大、“记忆”特性 结构灵活、牢固可靠 应用：小型仪器；核电、放射性物质监测 ;1.3 相位调制传感型光纤传感器 原理：利用外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测各种物理量。 灵敏度高——光学干涉法是已知最灵敏的探测技术之一 灵活多样——光纤探头的几何形状可按使用要求设计 对象广泛——可测量众多物理量，用于测量压力、转动、温度、加速度、电流、磁场、液体成分等 对光纤有特殊需要——倾向于使用同一模式产生干涉;1.3.2 光纤M-Z干涉仪和光纤Michelson干涉仪 ;当外界（温度、压力等）因素引起光纤长度L的机械变形和折射率n 的变化，均可以引起一个臂中的相位发生变化，如（1-3-5）式 ;1.3.3 光纤Sagnac干涉仪 原理：在由同一光纤绕成的光纤圈中沿相反方向前进的两光波，在外界因素作用下产生不同的相移。通过干涉效应进行检测。 理论：Geoge Sagnac效应（1913年）发表 ;;数值举例：;1.3.4 光纤Fabry-Perot干涉仪 原理：用光纤或光纤器件构成F-P干涉仪。 本征型——两端面镀膜的一段光纤做为传感器的主体； 非本征