传感器原理ppt电子课件教案第10章光纤传感器

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1、第十章光纤传感器10.1光纤与传光原理10.2光强调制光纤传感器10.3相位调制光纤传感器10.4偏振态调制光纤电流传感器10.5频率调制光纤传感器10.6分布式光纤传感器下一页返回1光导纤维传感器（简称光纤传感器）20世纪70年代迅速发展起来的一种新型传感器。光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点：1.不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；2.可根据需要做成各种形状，可以弯曲；3.可以用于高温、高压的检测，绝缘性好，耐腐蚀。2光纤传感器的发展方向主要有以下几个

2、方面：①以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象。②集成化光纤传感器。③多功能全光纤控制系统。④充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测系统。⑤开辟新领域。3基本采用石英玻璃，主要由三部分组成中心——纤芯；外层——包层；护套——尼龙料。光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质：纤芯折射率n1略大于包层折射率n2（n1＞n2）。10.1光纤与传光原理光纤的结构100~200μm包层玻璃纤维尼龙外层涂敷层纤芯外层直径1mm10.1.1光纤的结构和分类4光纤的分类(1)按纤芯和包层材料性质分类：玻璃光纤和塑料光纤(2

3、)按折射率分布分类：阶跃折射率型和梯度折射率型阶跃型光纤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。梯度型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。因此，这类光纤有聚焦作用；光线传播的轨迹近似于正弦波，如图所示。5(3)按光纤的传播模式分类：多模光纤和单模光纤光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿垂直向传播的两种平面波成分。后者纤芯和包层的界面上会产生全反射。当它在垂直向往返一次的相位变化为2π的整数倍时，将形成驻波。形成驻波的光线组称为模；某种光纤只能传输特定模数的光。通常

4、纤芯直径较粗时，能传播几百个以上的模，当纤芯很细时，只能传播一个模。前者称为多模光纤，多用于非功能型(NF)光纤传感器；后者是单模光纤，多用于功能型(FF)光纤传感器。多模光纤单模光纤6光纤传光原理主要是基于光的全反射。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时，光线全部反射。只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。10.1.2光纤的传光原理7光纤导光示意图θ1θ0φ1ABCn0n2n1dD2θ0由斯涅尔（Snell）定律：8就能产

5、生全反射。可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质(n1、n2)决定的，与光纤的几何尺寸无关若满足即9入射角的最大值为：将sinθc定义为光导纤维的数值孔径,用NA表示,则10NA意义讨论：NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2θc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。111.数值孔径（NA）反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。

6、意义：无论光源发射功率有多大，只有2θc张角之内的光功率能被光纤接收传播。注意：大的数值孔径，有利于耦合效率的提高。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。上一页下一页返回10.1.3光导纤维的主要参数122.光纤模式光波沿光导纤维传播的途径和方式在光导纤维中，传播模式很多对信息的传输是不利的，会导致合成信号的畸变，因此希望模式数量越少越好。阶跃型的圆筒光纤内传播的模式数量表示为希望V小：d不能太大，n2与n1之差很小上一页下一页返回133.传播损耗损耗原因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传播损耗（单位为dB）

7、式中：l—光纤长度；a—单位长度的衰减；I0—光导纤维输入端光强；I—光导纤维输出端光强。上一页下一页返回14光纤传感器除了光导纤维外，还必须有光源和光探测器，另外还有一些光无源器件。光源：相当于一个信号源，负责信号的发射；光纤：传输媒质，负责信号的传输；传感头：感知外界信息，相当于调制器；光探测器：负责信号转换，将光纤送来的光信号转换成电信号；信号处理系统：还原外界信息，相当于解调器。光无源器件上一页下一页返回10.1.4光纤传感器中的元器件15光的调制和解调可分为：强度、相位、偏振、频率和波长等方式。光的调制过程就是将一携带

8、信息的信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测器进行检测。1610.1.5光纤传感器的原理光纤传感器由光发送器、敏感元件（光纤或非光纤的）、光接收器、信号处理系统以