光纤技术课件 第五章光纤传感器基本原理.pptx

光纤传感技术Opticalfibersensors

第五章

光纤传感器基本原理

Fundamentalof

OpticalFiberSensor

第五章光纤传感器基本原理

内容

一、强度调制机理二、相位调制机理三、频率调制机理

四、波长调制机理

五、偏振调制机理

第五章光纤传感器基本原理

光调制概念

光调制就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上，使载波光波的参数随外加信号变化而变化，这些参数包括光波的强度、位相频率、偏振、波长等。承载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器系统检测，然后解调出所需要的信息。

E=E₀cos(Ot+业)

光源

传输光纤

外界被测参数

与进入调试区

的光相互作用

OO

调制区或传感区

第五章光纤传感器基本原理

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

^

第五章光纤传感器基本原理

光纤传感器分类

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

“传”“感”

合一

按光纤在传感器中作用

只“传”不“感”

传光型

传感型

光纤本身起敏感元件的作用。光纤与被测对象相互作用时，光纤自身的结构参量(尺寸和形状)发生变化，光纤的传光特性发生相关变化，光纤中的光波参量受到相应控制，即在光纤中传输的光波受到了被测对象的调制，空载波变为调制波，携带了被测对象的信息；或者是光纤与被测对象作用时，光纤自身的结构参量并不发生变化，而光纤中传输的光波自身发生了某种变化，携带了待测信息。

关键部件是光转换敏感元件。光转换元件与待测对象相互作用时，光转换元件自身的性能发生了变化，光纤送来的光波通过

它时，光波参量发生了相关变化，空载波变成了调制坡，携带了待测量信息。或者是不采用任何光转元件，仅由光纤的几何位置排布实现光转换功能，结构十分简

单。

被测对象

敏感光

纤头

被测对整

光转换敏感头

第五章光纤传感器基本原理

空载波

调制波

(a)

空载波

调制波

(b)

传光型

传感型

信息

信息

第五章光纤传感器基本原理

一、强度调制光纤传感器的基本原理

待测物理量引起光纤中的传输光光强变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量。

强度调制区

I。

被测信号

光探

测器

S

Ii

第五章光纤传感器基本原理一、强度调制机理

强度调制的特点：简单、可靠、经济

反射式强度调制

透射式强度调制

折射率强度调制

吸收系数强度调制光模式强度调制

强度调制方式

传感器的调制机理：

输入光纤将光源的光射向被测物体表面，再从被测面反射到另一根输出光纤中，其光强的大小随被测表面与光纤间的距离d而变化。

输入光纤

输出光纤

这是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传光作用。

第五章光纤传感器基本原理

1、反射式强度调制

一、强度调制机理

第五章光纤传感器基本原理一、强度调制机理

定量分析

反射镜面的移动方向是与光纤探头端面垂直的，反射镜面在其背面距离d处形成输入光纤的虚象，因此，光强调制作用是与虚光纤和输出光纤的耦合相联系的。

设两光纤皆为阶跃折射率光纤，芯径为2r,数值孔径为N.A,两光纤垂直距离为a.

调制信号

输入光纤的镜像

输入光纤

输出光纤

输出光纤

第五章光纤传感器基本原理一、强度调制机理

输入光纤

a

反射型光强外调制示意图

第五章光纤传感器基本原理一、强度调制机理

反射型光强外调制示意图

输入光纤输入光纤的镜像

a输入光纤

输出光纤

输出光纤

第五章光纤传感器基本原理一、强度调制机理

输入光纤的出射光与输出光纤纤芯的重叠部分

令：T=tg(sin-¹N.A.)

输入光纤

Ra

输出光纤

2d

R=r+2Td

返回

第五章光纤传感器基本原理一、强度调制机理

输入光纤的出射光与输出光纤纤芯的重叠部分

令：T=tg(sin-¹N.A.)

输入光纤

2d

R

a

R

=r+2Td

输出光纤

当R≤r+a,即时进入输出光纤的光功率为零。

R=r+2Td

输入光纤

2d

R

a

输出光纤

当R≥3r+a,即时进入输出