光纤传感器及其应用 ppt课件

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《光纤传感器》PPT课件

光导纤维的主要参数

1. 数值孔径（NA）
2. 光纤模式
3. 传播损耗
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1. 数值孔径（NA）
2 NA sin i n12 n2

反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。
意义：无论光源发射功率有多大，只有 2θi 张角之内的光功率能被光纤接受传播。
差动式膜片反射型光纤压力传感器
1．输出光纤
2．输入光纤
3．输出光纤
4．胶
5．膜片
I 2 1 Ap A―常数；两束输出光的光强之比 I 1 1 Ap p―待测量压力
输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关
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将上式两边取对数，在满足(Ap)2≤1时，得到
传感器的固有频率可表示为
2.56t gE fr p 2 2 R 3 (1 )
式中, ρ――膜片材料的密度； g――重力加速度。结构简单、体积小、使用方便，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，
其精度就要受到影响。
返
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The most commonly used type of fiberoptic sensor is an intensity sensor, where light intensity is modulated by an external stimulus
光纤传感器强度调制
非干涉型
光纤传感器偏振调制
光纤传感器频率调制
注：MM——多模光纤；SM——单模光纤；PM——偏振保持光纤
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光纤传感器ppt讲解可修改文字

NA n12 n22
n n 1为纤芯折射率， 2 为包层折射率
arcsinNA是一个临界角，
θ> arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；
θ< arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。
数值孔径的意义是无论光源发射功率有多大，只有2 张角之内的光被
光纤接受传播。一般希望光纤有大的数值孔径，这样有利于耦合效率的提高。但数值孔径越大，光信号将产生大的“模色散”，入射光能分布在多个模式中，各模式速度不同，因此到达光纤远端的时间不同，信号将发生严重的畸
非功能型光纤传感器
传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。
三介绍几种光纤传感器
1，光纤压力传感器
Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。
6 光纤传感器的类型
光纤传感器按其作用方式一般分为两种类型：一功能型光纤传感器，二非功能型光纤传感器。
功能型光纤传感器
这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。
（3）传输损耗
由于光纤纤芯材料的吸收、散射、光纤弯曲处的辐射损耗等的影响，光信号在光纤中的传播不可避免地要有损耗，光纤的传输损耗A可用下式表示
-10 lg I0
A=
I
L
式中 L ——光纤的长度 I0——光纤入射端的光强 I——光纤输出端的光强

光纤传感原理及应用技术课件

2.2 四种常见的光纤干涉仪（3）萨格纳克（Sagnac）光纤干涉仪
8 A 0c
1
2
光纤耦合器
光纤陀螺是近20年来发展起来的一门新技术，除了在航空航天技术中用于导航、制导、定位外，也可用于石油钻井中跟踪钻头位置、机器人控制、汽车以及在其他测量角度的系统中应用。与传统的机电陀螺相比，光纤陀螺具有启动快、体积小、成本低等优光纤点传，感原因理此及应它用更技具术课有件竞争力。
B-两束光波在相遇点的光程差不能太大。
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪（1）迈克尔逊(Michelson)光纤干涉仪
LD 分光镜
固定反射镜
可移动反射镜
光探测器
LD 光探测器
固定反射镜 3dB
可动端S(t)
2k0L
光纤干涉仪与普通的光学干涉仪相比，优点在于：（1）容易准直；（2）可以通过增加光纤长度来增加光程，以提高干涉仪的灵敏度；（3）封闭式的光路，不受外界干扰；（4）测量的动态范围大。
Fiber
Fiber
图3 光纤传感器传感探头具体的结构形式 Fig.3 Diagram of the fiber-optic temperature sensor probe
图416 光吸收系数强度调制辐射量传感器
射线辐射会使光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而构成强度调制辐射量传感器光。纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪（4）法布里珀罗（FabryPerot）光纤干涉仪
(c)
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理与应用技术
3、偏振调制型光纤传感器技术

光纤传感器原理及应用课件

光纤通过全反射原理传递光信号，具有低衰减、低色散等优点。
光的干涉与衍射
光纤中光的干涉与衍射现象可用于传感和调制。
光纤传感器的原理
光纤传感器通过检测光纤中光信号的变化来感知外界物理量的变化。
外界物理量如温度、压力、磁场等作用于光纤，导致光纤中光信号的相位、频率、强度等发生变化，从而感知外界物理量的变化。
水质监测
光纤传感器可用于监测水体中的化学物质、温度、浊度和流速等参数，确保水质安全和生态平衡。
医疗领域
生物医学
光纤传感器可以用于监测生物体内的生理参数，如血压、血氧饱和度和体温等，为医疗诊断和治疗提供重要信息。
光学成像
光纤传感器结合光学成像技术，可用于内窥镜、显微镜等领域，提高医疗诊断的准确性和效率。
光纤传感器原理及应用课件
目录
• 光纤传感器原理 • 光纤传感器的应用领域 • 光纤传感器的优势与挑战 • 光纤传感器的发展趋势与前景 • 实际应用案例分析
01
光纤传感器原理
光纤的结构与特性
01
02
03
光纤的结构
光纤由中心纤芯、包层和涂覆层组成，具有低损耗、高透明度、高带宽等特性。
光的全反射
成本较高
光纤传感器制造工艺复杂，导致其成本相对较高。
小型化与集成化难度大
实现小型化与集成化的光纤传感器制造技术有待突破。
交叉敏感问题
部分光纤传感器可能对不同参数敏感，导致测量结果不准确。
04
光纤传感器的发展趋势与前景
技术创新
光纤传感器的技术不断创新，以提高其灵敏度、精度和稳定性。
新型光纤材料和制造工艺的应用，将进一步优化光纤传感器的性
光纤压力传感器在石油工业中主要用于监测井下压力，具有高精度和高可靠性的特点。它们能够实时传输数据，帮助工程师及时了解井下情况，优化开采过程，提高石油产量。

传感器原理及其应用光纤传感器PPT课件

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1.1光纤传感器的基本知识
1.1.1 光纤的结构光纤是光导纤维的简称，形状一般为圆柱形，材料是高纯度的石英玻璃为主，掺少量杂质锗、硼、磷等。光纤的结构如图所示。
纤芯的折射率比包层的折射率稍大，当满足一定条件时，光就被“束缚”在光纤里面传播。
13
1.1.2 光纤的传光原理
19
单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长。其折射率分布均为阶跃型。单模光纤原则上只能传送一种模数的光，常用于光纤传感器。这类光纤传输性能好，频带很宽，具有较好的线性度；但因芯小，难以制造和耦合。
110
多模光纤允许多个模数的光在光纤中同时传播，通常纤芯直径较大，达几十微米以上。由于每一个“模” 光进入光纤的角度不同，它们在光纤中走的路径不同，因此它们到达另一端点的时间也不同，这种特征称为模分散。特别是阶跃折射率多模光纤，模分散最严重。这限制了多模光纤的带宽和传输距离。
由斯涅尔定律得
sin c
n2 n1
临界角仅与介质的折射率的比值有关
15
当入射角＞1 c时，光线不会透过其界面，而全部反射到光密物
质内部，也就是说光被全反射。根据这个原理，如图所示，只要
使光线射入光纤端面的光与光轴的夹角小于一0 定值，则入射到
光纤纤芯和包层界面的角就满足1 小于临界角的条件，光c 线就
3) 塑料光纤
用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，当时，达到 100 ～ 200 dB/km。但其重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。
17
2．按折射率分类分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤，如图所示。在纤芯和包层的界面上，纤芯的折射率不随半径而变,但在纤芯与包层界面处折射率有突变的称为阶跃型；而光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致的称为渐变型。

《光纤传感器》课件

频率调制型
通过外界物理量的变化引起光纤中光的频率变化，从而实现对外部参数的测量。
相位调制型
通过外界物理量的变化引起光纤中光的相位变化，从而实现
对外部参数的测量。
光纤传感器的应用领域
工业自动化
用于监测温度、压力、流量、液位等参数，实现工业过程的自动化控制。
环境监测
用于监测环境中的温度、湿度、压力、气体浓度等参数，实现环境监测和治理。
光纤传感器在高温、低温或温度变化环境下保持性能的能力。高温度适应性传感器能够在更宽的温度范围内正常工作，适用于各种恶劣环境。
湿度适应性
光纤传感器在潮湿、干燥或湿度变化环境下保持性能的能力。高湿度适应性传感器能够在更宽的湿度范围内正常工作，适用于各种环境湿度条件。
05
光纤传感器的发展趋势与挑战
新材料与新技术的应用
光纤传感器
目录
• 光纤传感器概述 • 光纤传感器的技术原理 • 光纤传感器的设计与制造 • 光纤传感器的性能指标 • 光纤传感器的发展趋势与挑战 • 光纤传感器案例分析
01
光纤传感器概述
定义与工作原理
定义
光纤传感器是一种利用光纤作为敏感元件的传感器，能够检测和测量物理量、化学量和生物量等参数。
新材料
新型光纤材料如掺铒光纤、光子晶体光纤等，具有更高的非线性效应和增益特性，提高了光纤传感器的性能。
新技术
量子点、纳米线等新型纳米材料的应用，提高了光纤传感器的灵敏度和分辨率。
集成化与小型化的发展趋势
集成化
将多个光纤传感器集成在同一根光纤上，实现多参数、多维度的测量，提高了测量效率和精度。
小型化
光纤压力传感器的应用案例
总结词
光纤压力传感器在石油、化工、航空航天等领域有重要应用。

光纤传感器的应用举例课件

石油化工领域
光纤传感器用于监测油井和化工厂的温度、压力等参数，保障生产安全。
生物医疗领域
光纤传感器用于监测生理参数，如血压、血氧饱和度等，以及在医疗设备中用于定位和监测病情。
航空航天领域
光纤传感器用于监测飞机和火箭等飞行器的温度、压力和振动等参数，保证飞行安全。
CHAPTER
02
光纤传感器在能源领域的应用
油气管道监测
监测油气管道的应变、温度和压力等参数，确保管道安全运行。
监测管道周围土壤的位移和沉降，预防管道因地质灾害而损坏。
实时监测管道泄漏，及时报警并采取措施，减少环境污染和经济损失。
石油钻井监测
监测钻井过程中的温度、压力、振动等参数，优化钻井工艺，提高钻井效率。
监测钻井液的性能，确保钻井液的循环和使用效果，提高钻井安全性。
铁路轨道监测
监测铁路轨道的形变、位移和振动，确保列车安全运行。
实时监测轨道温度，预防因温度变化引起的轨道热胀冷缩。
检测轨道裂纹和损伤，预防事故发生。
高速公路监测
1
监测高速公路的路面状况，包括裂缝、坑洼和积水等。
2
实时监测高速公路的交通流量和车速，优化交通管理。
3
检测路标和指示牌的完整性和清晰度，确保行车安全。
CHAPTER
05
光纤传感器在医疗领域的应用
医疗诊断
实时监测生理参数
光纤传感器可以实时监测患者的血压、心率、呼吸等生理参数，为医生提供准确的数据，有助于
及时诊断病情。
检测生物分子
光纤传感器能够检测生物分子，如蛋白质、核酸等，用于诊断疾病和监测治疗效果。
光学成像
光纤传感器结合光学成像技术，能够实现无创、无痛、无辐射的医学成像，如内窥镜、光学相干断层扫描等。

传感器原理及其应用光纤传感器课件

传感器原理及其应用光纤传感器课武汉理工大学件机电工程学院
第9章光纤传感器
2．非功能型(传光型)光纤传感器
这类光纤传感器中光纤仅起导光
作用，只“传”不“感”，对外
界信息的“感觉”功能依靠其他
物理性质的功能元件完成，光纤
在系统中是不连续的。此类光纤
传感器无需特殊光纤及其他特殊
技术，比较容易实现，成本低；非功能型光纤传感器使用的光
传感器原理及其应用光纤传感器课武汉理工大学件机电工程学院
第9章光纤传感器
光电转换器件采用光电二极管
传感器原理及其应用光纤传感器课武汉理工大学件机电工程学院
第9章光纤传感器
9.2 光纤传感器的分类及其工作原理
光纤传感器与电类传感器的对比
电
被
电源
类
测
电类传感器
电缆
传
参
电量检测
感
量
器
光源
光
被
纤
可以证明，该入射角为
sin0
1 n0
n12 n22
光纤的 “ 数值孔径 ” NA ，
NAsin0n10 n12n22
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第9章光纤传感器
9.1.3 光纤的种类 1．按材料分类
1) 高纯度石英(SiO2)玻璃纤维
这种材料的光损耗比较小，在波长时，最低损耗约为 0.47 dB/km 。锗硅光纤，包层用硼硅材料，其损耗约为 0.5 dB/km。
光纤传感器的特点:
①电绝缘性能好。 ②抗电磁干扰能力强。 ③非侵入性。 ④高灵敏度。 ⑤容易实现对被测信号的远距离监控。光纤传感器可测量位移、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

第8章光纤传感器应用分析ppt课件

光强
(3) 基于磁致伸缩和布拉格光纤光栅的电流传感器
反射光谱
λB
布拉格波长 B 2neff
传感器头
磁致伸缩材料
螺线管内磁场 B 0nI
光纤光栅电流传感器结构 1
宽光谱光源波长测量
环形器
信号处理
施加磁场改变光栅的周期，使其反射波长产生变化。
电流传感器结构 2
GMM--磁致伸缩材料
弱而伸缩，使得通过光纤的光
程发生变化。信号光与参考光
干涉后，得到与磁场成比例的
输出信号。这种磁场传感器灵
敏度高，分辨率可达10-12T, 可
用于测量磁场、探矿等。
光纤干涉仪测量
a）光纤马赫—泽德尔磁场传感器
光源
3dB
磁场
磁致伸缩材料被覆光纤作为测量臂
测量臂
3dB
耦合器
耦合致伸缩效应的物理解释
在铁磁质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子中电子的自旋磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为磁畴。
磁畴
单晶磁畴结构示意图
多晶磁畴结构示意图
磁场增强 H
在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能将低于磁矩与外磁反向排列时的磁能，结果是自发磁化磁矩和外磁场成小角度的磁畴处于有利地位，这些磁畴体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。随着外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失，留存的磁畴将向外磁场的方向旋转。
沉积镍薄膜
裸光纤
几种敏感元件的基本结构
a) 被覆式 b) 心轴式 c) 带式
被覆材料

光纤传感器及其应用35页PPT

40、人类法律，事物有规律，这是不容忽视的。— —爱献生
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为传感器及其应用
36、如果我们国家的法律中只有某种神灵，而不是殚精竭虑将神灵揉进宪法，总体上来说，法律就会更好。—— 马克·吐温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之时。— —威·皮物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律是丝毫没有力量的。 ——菲力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们迅速累聚，进而变成法律。 ——朱尼厄斯

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PPT课件
传播模式对信号的影响
多模阶跃光纤
n2 n1
多模
nr
梯度光纤
单模梯度光纤
n2 n1
10
光纤的传输损耗
PPT课件
• 传输损耗：
• 光信号通过光纤传播时，因某种原因造成的光能量衰减，单位dB/km 。造成光纤衰减的主要因素有：
• 本征：是光纤的固有损耗，包括散射，固有吸收等。 • 挤压：光纤受到挤压产生微小的弯曲而造成的损耗。 • 杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。
• 功能型光纤传感器：把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输光的强度、相位、偏振态等进行调制，再通过解调得到被测信号；常使用单模光纤。
光纤传感器的分类
13
PPT课件
• 光纤传感器的核心就是光被外界输入参数的调制。外界信号可能引起光的某些特性(如强度、波长、频率、相位、偏振态等)变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态等调制器。根据光被调制的原理，光纤传感器分为：强度调制型、频率调制型、波长调制型、相位调制型及偏振态调制型。
• 光波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的相位变化是2π 的整数倍时，就在截面内形成驻波。这种驻波光线组又称为“模”。某一种光纤只能形成特定数目的“模”式来传输光波，传播速度最快的模式称为基模或主模。纤芯直径越大，传播模式越多。
被测量
光源 180 1 2
f

fD

f

v

cos2

cos1
1
光纤传感器及其应用
姓名：
PPT课件
2
PPT课件
光纤传感器
• 光纤基础知识 • 光纤传感器的分类 • 光纤传感器电类传感器的比较 • 光纤制作工艺 • 光纤传感器的应用
光纤传感器
3
PPT课件
• 光纤——光导纤维，是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介质材料制成的极细的纤维，是一种理想的光传输线路。
光纤传感器的分类
12
PPT课件
• 按照光纤在传感器中的作用，通常将光纤传感器分为两种类型：非功能型（或称传光型、结构型）和功能型（或称传感型、探测型）。
• 非功能型光纤传感器：利用其它敏感元件感受被测量，光纤仅作为传输介质，依靠光传输或光反射引起的强度调制来工作；光纤是不连续的, 中断处要接上其他介质的敏感元件；多使用多模光纤。
要在2θ 0张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。
一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。
但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。
产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA。
光纤的分类
1、按折射率变化类型分类
（1）阶跃型：纤芯与包层之间的折射率是突变的；（2）渐变型：纤芯在横截面中心处折射率最大，并由中心向外逐渐变小，到纤芯边界时减小为包层折射率。这类光纤有自聚焦作用，也称自聚焦光纤。
光纤结构
• 光纤通常由纤芯、包层、保护套及组成。
• 纤芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圆柱体，直径约为5～150μm。
• 包层的材料也是玻璃或塑料等，直径为100－200um。但纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2。
• 保护套起保护光纤的作用。较长的光纤又称为光缆。
涂覆层保护套
包层
纤芯
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• 光纤传感器（Fiber Optic Sensor， FOS）兴起于20世纪70年代，是一类较新的光敏器件，它是利用被测量对光纤内传输的光波进行调制，使光波的一些参数，如强度、频率、波长、相位、偏振态等特性产生变化来工作。可以测量位移、加速度、压力、温度、磁、声、电等物理量。
4
PPT课件
＜c
并随光纤能传送到
很远的距离, 光纤 ′
的传输是基于光的
全内射。
6
光纤的传光原理
PPT课件
• 数值孔径NA
•
入射角的最大值为：
sin0
1 n0
n12 n22
• 将sinθ 0定义为光导纤维的数值孔径,用NA表示,则：
NA意义：
NA

sin0

1 n0
n12 n22
NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只
15
2、频率调制型光纤传感器
PPT课件
• 在频率调制型光纤传感器中，光纤只起着传输光的作用，它的工作原理是光学多普勒效应，即由于观察者和目标的相对运动，观察者接收到的光波频率将发生变化。采用光学多普勒测量系统，可以方便的实现在非接触条件下对液体流速流量的测量，如血液、气流及其他液体。（非功能型）
光纤的传光原理
PPT课件
• 斯奈尔定理：
n1 sin1 n2 sin2
（a）折射角大于入射角： 1 2
（b）临界状态： 2 900 c arcsin(n2 / n1) （c）全反射：1 c
• 在光纤中, 光的传
包层 n2
输限制在光纤中,
纤芯 n1
＞c
• 不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。 • 对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴(单模光纤同轴度要求小于0.8μ m)，端面与轴心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。
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光纤传感器的基本组成
PPT课件
• 光纤传感器是基于光导纤维的新型传感器。光纤传感器除光纤外还应包括光源、传感头、光探测器和信号处理电路等几部分。
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PPT课件
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光纤的分类
PPT课件
2、按照传输模式分类
（1）单模光纤：纤芯直径很小，接受角小，传输模式很少。这类光纤传输性能好，频带宽，具有很好的线性和灵敏度，但制造困难。单模光纤原则上只能传送一种模数的光。
（2）多模光纤：纤芯尺寸较大，传输模式多，容易制造，但性能较差，带宽较窄。多模光纤允许多个模数的光在光纤中同时传播。
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1、光强调制型光纤传感器
PPT课件
• 待测物理量引起光纤中的传输光强变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量。
IS S光源
ID
t
入射光 Ii
信号
出射光 Io
ID
t
强度调制区
探测器D
Ii
IO
t
• 光(形受源状到强一了度样外为→场I信的i→号调传处制感理)头电→→路输被再出测检光信测强号出I0的t 调的作制包用信络使号线强，与度就被发得测生到信变了号化被的测信号。