9.4光纤传感器 (1)讲解.pptx

9.4光纤式传感器光纤传感器的优点：1）抗电磁干扰能力强2）柔软性好3）光纤集传感器和信号与一体光纤之父-高锟获2009年诺贝尔物理学奖

9.4光纤式传感器一、光纤传感器的基本知识：结构：纤芯、包层、保护层。n1——纤芯材料的折射率；n2——包层材料的折射率。Δ=1-n2/n1，相对折射率差，一般为0.005~0.140。光纤的结构及传光原理图

9.4光纤式传感器导光原理：光的全反射。-纤芯与包层间的临界角。注意：实际工作中，光纤可能弯曲，只有满足全反射定律，光线仍能继续前进。

9.4光纤式传感器根据斯奈尔折射定律：设当达到临界角时的入射角为，可得，称为光纤的数值孔径。NA的值越大，光源到光纤的耦合效率越高。NA决定于光纤的折射率，与光纤几何尺寸无关。

9.4光纤式传感器分类纤芯材料：玻璃光纤、塑料光纤、混合光纤等。传输模式：单模光纤；多模光纤。光纤中传输的光，可分解为沿轴向和沿截面径向传播的两种平面波成分。沿截面径向传播的光波在纤芯与包层的界面上产生全反射，因此当它在径向每一次往返传输（相邻两次反射）的相位变化是2π的整数倍时，就在截面内形成驻波。这只有形成驻波的光才能在光纤中传播。一个驻波一个模。光纤中只能传输有限个模。

9.4光纤式传感器分类折射率分布：阶跃型光纤、梯度型光纤。阶跃型梯度型

9.4光纤式传感器梯度型光纤在中心轴折射率最大，沿径向逐渐变小，n1的分布规律如下梯度型光纤又称子聚焦光纤。特点：频带宽，信号畸变小，易达到全反射，但制造困难。

9.4光纤式传感器二、光纤传感器（一）功能型光纤传感器光纤既是光传播的介质，又对被测量敏感。光波的振幅（光强）、相位和偏振态随光纤的环境（如应变、压力、温度、电场、磁场等）而改变。（二）非功能型光纤传感器光纤仅作为光传播的介质，要与其他敏感元件组成传感器。

9.4光纤式传感器（一）功能型光纤传感器1、光强度调制型被测量通过影响光纤的全内反射实现光强度调制。调制条件为调制途径：①改变光纤几何形状，实现力、位移和压强等的测量。②改变纤芯或包层折射率，如可采用不同的包层材料。

9.4光纤式传感器2、光相位调制型压力、应变、温度、磁场等被测量通过影响光纤的长度、折射率和内部应力等引起光信号相位的变化。检测一般采用干涉仪。马赫-琴特干涉仪调制相位原理如图所示：马赫-琴特干涉仪原理图

9.4光纤式传感器信号光纤环境温度变化，产生一定相移，大小与信号光纤的长度L、折射率n等的变化有关，相移表示如下式中：；玻璃光纤：；结论：折射率n的变化起主要作用。

9.4光纤式传感器3、光偏振态调制型外界因素使光纤中偏振态发生变化，并能加以检测的光纤传感器为偏振态调制型。如利用磁旋效应做成的高压传输线用的光纤电流传感器。光纤电流传感器原理图

9.4光纤式传感器沃拉斯特棱镜光电接收器处在磁场中的光偏振面旋转角KV-光纤材料的磁光常数。结论：旋转角度只与电路I成正比，与光纤绕圈的大小和形状无关，与道题在线圈中的位置无关。沃拉斯特棱镜将光束分成振动方向互相垂直的偏振光，在送入两个光电接收器，设接收光信号强度为AV1AV2，标准化后的参数光纤电流传感器结构：激光器起偏器单模光纤N圈大电流（电流I）导体

9.4光纤式传感器标准化处理的优点：测量结果不受绝对光强、激光器漂移、光纤衰减的影响。实例分析：硅光纤，分辨力0.1°C传感器分辨力300A/匝，可测电流10kA.可见，该传感器量程大，灵敏度高，输出与输入端电绝缘。

9.4光纤式传感器（二）非功能型光纤传感器1、光纤位移传感器光纤传感器是由许多根光纤组成的光缆。发射和接收光纤的常见组合方式有混合式、对半式、共轴内发射分布三种。混合式的灵敏度最高，对半式测量范围最大。2、光纤温度传感器常用的半导体材料是GaAs，其透光率达30%以上，厚度为150微米，工作面积约为0.7mm2，其工作面和光纤的端面都要抛光并互相平行。

9.4光纤式传感器三、光纤光栅传感器由于光纤材料的光敏性，当外界入射光子和离子相互作用时，会产生纤芯内折射率的永久性变化，进而在纤芯内形成空间相位光栅，即产生光纤光栅。优点：1）是自参考型传感器，可以实现绝对测量。2）具有更强的抗干扰能力。3）易于组建各种形式的传感网络，尤其是采