光纤技术课件 第一章光纤的概述和基本原理.pptx

光纤传感技术

FiberOpticalSensor

第一章光纤的基本原理

第二章光纤系统转换器和元件连接

第三章光纤衰减测量

第四章光纤色散测量

第五章光纤传感感基本原理

第六章光纤机械量传感器

第七章光纤热工量传感器

第八章光纤电磁虽传感器

第九章医用光纤传感器

第十章监测大气污染光纤传感器

内容

光纤传感器概述

光纤传感器概述

传感器：信息检测、转换和传输的元器件或装置

●感知获取信息的窗口

●智能信息系统的“五官”

半导体传感器

金属传感器

陶瓷传感器

光纤传感器(20世纪70年代)

传感器分类

按所用功

能材料

光纤传感器：用光纤做为功能材料的传感器

以光波为信息载体，以光纤为传输媒质

特点：

电绝缘性能好；抗电磁干扰能力强；耐恶劣环境；容易实现对被测信号的远距离监控；灵敏度高；传输容量大；质轻体小

应用范围：光纤传感器可用于七十多个物理

量的测量

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

外界被测参数

与进入调试区

的光相互作用

O

调制区

光源

传输光纤

光纤传感系统的基本构成

光强、波长、频率、相位、偏振态等发生变化

信号检测

与处理

光电

探测

被测参数

光纤仅做为传播光介质，其它功能元件完成信息

的感觉

光纤具有对外

界信息敏感能力和检测功能

光纤传感器分类

根据光纤在传感器中的作用

O

“传”和“感”

合一

只“传”不“感”

传感型

传光型

O

◆强度调制光纤传感器

频率调制光纤传感器波长调制光纤传感器相位调制光纤传感器偏振调制光纤传感器

光纤传感器分类

(按光受被测对象的调制形式)

一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射

率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。如利用光纤的微弯损耗；物质的吸收特性；利用这些现象构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。

优点：结构简单、容易实现，成本低。

缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。

1)强度调制型光纤传感器

一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息

的传感器。如利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传

感器。

2)偏振调制光纤传感器

是一种利用单色光射到被测物体上反射回

来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。如利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、

加速度传感器；利用物质受强光照射时的

喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气

污染的气体传感器；以及利用光致发光的

温度传感器等。

3)频率调制光纤传感器

一种利用被测对象对敏感元件的作用，导

致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。

通常有利用光弹效应的声、压力或振动传

感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器。

4)相位调制传感器

第一章光纤的基本原理

光是电磁波

光—薄膜波导(平板波导)

—矩形波导(条形波导)

的一因柱波导(光纤)

类—对称与非对称波导

波导：能够导引电磁波传输的装置

光波导的基本概念

波导

光纤的结构

光纤(OpticalFiber)就是用来导光的透

明介质纤维

纤芯包层涂覆层

2a

n2

N₁

外护层

强度元件内护层

光纤

缆芯

单模：8~10μm

多模：50μm

光缆

涂覆层

护套层

125μm

包层

纤芯

光纤的分类

秦按照光纤的模式分类

单模(Single-Mode)

多模(Multi-Mode)

按折射率分类

阶跃光纤

渐变折射率光纤

单模光纤是只能传输一种模式的光纤，单

模光纤只能传输基模(最低阶模),不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。

多模光纤(Multi-ModeFiber,MMF):

在一定的工作波上，当有多个模式在光纤

中传输时，则这种光纤称为多模光纤。

单模光纤(SingleModeFiber,SMF):

阶跃光纤渐变折射率光纤

a

图光纤的折射率分布

几何光学方法

波动光学方法

适用条件

λd

λ~d

研究对象

光线

模式

基本方程

射线方程

波导场方程

研究方法

折射/反射定理

边值问题

主要特点

约束光线

模式

光导波原理研究方法

几何光学基本规律

n₁n₂

n₁sinθ₁=n₂s