《传感器原理及应用》课程PPT教学课件（现代传感技术）第6讲 光纤传感器

第四章光纤传感器 抗电磁千扰;安全灵巧轻便;使用方便 功能型(FF):传光且敏感(传感型) 非功能型(NFF只传光传光型 第一节光纤传感原理 将光源入射的光束由光笄送入调制 区,在调制区向卦界测参飘与进入调制区 的光相互作用使光的性质如度、波长 频阜、相俊、,偏振忐等发皱变化戚为被 调制的信号光,再过光笄送入光敏器件 斛调器而羲得被测参数

第四章 光纤传感器 ◼ 抗电磁干扰;安全;灵巧轻便;使用方便. ◼ 功能型(FF):传光且敏感(传感型) ◼ 非功能型(NFF):只传光.(传光型). 第一节 光纤传感原理 将光源入射的光束经由光纤送入调制 区,在调制区内,外界被测参数与进入调制区 的光相互作用使光的性质如强度、波长、 频率、相位、，偏振态等发生变化成为被 调制的信号光，再经过光纤送入光敏器件、 解调器而获得被测参数

电子传感器:靠电阻电容电感等 ■光纤传感器靠光特性强度颜色等 光源入射光 信号 ※0 调制器茁射光 光敏元件 光源射光 信g 0O- 0 光光敏元 图4-1光纤传感器结构 a)传光型光纤传感器b)传感型光纤传感器

◼ 电子传感器:靠电阻,电容,电感等 ◼ 光纤传感器:靠光特性(强度,颜色等)

平面光波的波动方程: E=Asin(kx-t+φ)(4-1) k=2T/为空间频率 光的基本特性: 1)幅值A:振幅,光强最大值A2 2)振动方向:矢量有振勐方向(编振方向) 3)光的角频率U:环境影响,亙映颜色 4)波长λ:同样光波在不同介质中λ不同 5)初始相位q:反应光彼的光

◼ 平面光波的波动方程: E=Asin(kx-ωt+ φ ) (4-1) k=2π/λ为空间频率. 光的基本特性: 1)幅值A:振幅,光强,最大值A2 . 2)振动方向: 矢量,有振动方向(偏振方向). 3)光的角频率ω :受环境影响,反映颜色. 4)波长λ:同样光波在不同介质中λ不同. 5)初始相位φ:反应光波的光程

一般测光强,其它要通过相应手段 强度调制 利用外界物狸量改变光纤中光的强 度,通过测量光强变化来测量外界物力 量变化的原狸称强度调制。 特点:技术简单、可靠、价格低。 使用多模光纤、LED等即可实现。 传感器探头机理:反射、折射和投射等

一般测光强,其它要通过相应手段. 一、强度调制 利用外界物理量改变光纤中光的强 度，通过测量光强变化来测量外界物力 量变化的原理称强度调制。 特点：技术简单、可靠、价格低。 使用多模光纤、LED等即可实现。 传感器探头机理：反射、折射和投射等

1透射式强度调制 光纤间距2-3pm;断面为平面 D S 0==00 出射光纤 横向 转动 动0人射光纤 图4-2位移调制 不同形式的位移调制方法b)横向移动调制方法c)横向位移调制输出曲线

1.透射式强度调制 ◼ 光纤间距2~3µm;断面为平面

■图b)中,横向位移x与功率耦合系数T的关 系如下 T=exp(X2/s02)(4-2) s0为光斑尺寸;偏置点在图c)中A点合适;可 测距离10μm 2开关调制 入射和接收光纤不动,当外界物理量影 响肘,利用挡板调制透光强度 原理见图4-3

◼ 图b)中,横向位移x与功率耦合系数T的关 系如下: T=exp(x2 /s0 2 ) (4-2) s0为光斑尺寸;偏置点在图c)中A点合适;可 测距离10µm. 2.开关调制 入射和接收光纤不动,当外界物理量影 响时,利用挡板调制透光强度. 原理见图4-3

光栅 透镜 透镜 D S 透镜 弹性薄膜 图43各种不同的开关调制光纤 a)光开关b)光栅调制 ■若光束半径为r挡板位移3,则光纤端面所 引起的光强变化与δ/r成正比 般可测10m

◼ 若光束半径为r,挡板位移δ,则光纤端面所 引起的光强变化与δ/r成正比. 一般可测10µm

3反射式强度调制 图44各种反射调制结构 a)多束光纤b)双光纤c)单光纤d)液面测量 ■测量范围100um

3.反射式强度调制 ◼ 测量范围100µm

4折射率调制法 感握液体水油筒 包层\露纤芯 反光面 图45折射率调制法常用的几种结构 ■可测温度、含油量、折射率和液面

4.折射率调制法 ◼ 可测温度、含油量、折射率和液面

偏振态调制法 ■利用外界物理量改变光的偏振特性,通 过检测光的偏振态的变化来检测各种物 理量,称为偏振态调制。 1法拉第效应(磁致旋光效应) 当偏振光通过某种透明介质(通常为磁 场)时,偏振态以光的传播方向为轴线旋转 个角度 原理见图4-6

二、偏振态调制法 ◼ 利用外界物理量改变光的偏振特性，通 过检测光的偏振态的变化来检测各种物 理量，称为偏振态调制。 1.法拉第效应(磁致旋光效应) 当偏振光通过某种透明介质(通常为磁 场)时,偏振态以光的传播方向为轴线旋转 一个角度. 原理见图4-6