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1、第9章光纤传感器及其应用●灵敏度较高；●几何形状具有良好的适应性，可制成任意形状的光纤传感器；●可以传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；●抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温等恶劣环境。●容易实现对被测信号的远距离监控。优点：光纤传感器：将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位等）发生变化，再经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。应用：磁、声、压力、温度、加速度、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。一、光导纤维结构和导光原理光纤的结构如图所示。纤芯,由某种类型
2、的玻璃或塑料制成；包层,由特性与纤芯略有不同的玻璃或塑料制成9.1光导纤维基本知识●纤芯：石英玻璃，直径5－75um，以二氧化硅为主，掺杂微量元素；●包层：直径100－200um，也是玻璃，但折射率略低于纤芯；●涂敷层：硅酮，隔离杂光；在光纤中,光的传输限制在光纤中,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反射。根据斯涅尔定律,光线在两种不同介质的分界面上会产生折射现象,折射定律为（a）折射角大于入射角：（b）临界状态：（c）全反射：根据全内反射原理,设计光纤纤芯的折射率n1要大于包层的折射率n2。掠射角(入射角的余角)θ>θc的光线:纤芯折射到包层
3、中,不能传播很远；掠射角θ<θc（临界角）的光线：发生全反射各种装饰性光导纤维二、光纤的几个重要参数1.数值孔径(NA)数值孔径是反映纤芯接收光量的多少,标志光纤接收性能的一个重要参数。定义为:光从空气入射到光纤输入端面时,处在某一角锥内的光线一旦进入光纤,就将被截留在纤芯中,此光锥半角(θ)的正弦称为数值孔径。可导出反映纤芯接收光量的多少，标志光纤的接收性能。意义：无论光源发射功率有多大，只有入射角处于2θc的光椎角内，光纤才能导光。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。如入射角过大，光线便从包层逸出而产生漏光。光纤的NA越大
4、，表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，因为大的数值孔径有利于光纤的聚光能力，有利于光源和光纤之间耦合效率的提高。如石英光纤数值孔径0.2≤NA≤0.4。2.传播模式式中,a为纤芯半径,λ0为入射光在真空中的波长根据电介质中电磁场的麦克斯韦方程，考虑到光纤圆柱形波导和纤芯-包层界面处的几何边界条件，则只存在波动方程的特定(离散)解。允许存在的不同的解代表许多离散的沿波导轴传播的波。每一个允许传播的波称为一个模。实际中常用由麦克斯韦方程导出的归一化频率n作为确定光纤传输模数的参数。n的值可以由纤芯半径r、传输光波波长l及光纤的数值孔径NA确定，即光纤V值越
5、大,则光纤所能允许传输的模式(不同的离散波)数越多。当V值低于2.404时,只允许一个波或模式在光纤中传输。即圆柱波导的“单模条件”是在光导纤维中传播模式很多对信息传输是不利的。因为同一光信号采取很多模式传播,就会使这一光信号分为不同时间到达接收端的多个小信号,从而导致合成信号的畸变。3.传播损耗光在光纤的传播过程中由于材料的吸收、散射和弯曲处的辐射损耗等的影响,不可避免地要有损耗。通常用衰减率A表示传播损耗。式中,l为光纤长度,I0为输入端光强,I1为输出端光强。在一根衰减率为10dB/km的光纤中,当光传输1km后,光强将下降到入射光强的1/100,3dB/
6、km衰减率相当于经过1km后,光强减小到入射光强的一半(因为lg0.5=-0.3)。目前传播损耗可达0.16dB/km。三、光纤的类型1.按折射率变化类型分类光纤的类型（折射率、传输模式）1）按折射率a）阶跃型纤芯与包层的折射率是突变的；b）渐变型纤芯中心处折射率最大，由中心向外折射率逐渐变小到包层折射率。传输模式：光沿光纤传播的途径和方式。单模光纤指阶跃型光纤中，内芯直径很小，光纤的传播模式很少，原则上只能传递一种模式的光纤。2.按传播模式分类这类光纤传输性能好(常用于干涉型传感器),制成的传感器较多模传感器有更好的线性、更高的灵敏度和动态测量范围。但单模光纤
7、由于纤芯太小、制造、连接和耦合都很困难多模光纤:通常是指阶跃光纤中纤芯尺寸较大(大部分为几十微米)、传播模式很多的光纤。这类光纤性能较差,带宽较窄,但由于芯子的截面大,容易制造,连接耦合也比较方便。这种光纤常用于强度型传感器。3.按用途分类普通光纤:是指用于光纤通信的单模和多模光纤。非通信光纤:是指特殊用途的非通信光纤。如低双折射率光纤、高双折射率光纤、涂层光纤、激光光纤和红外光纤等。4、按材料：玻璃光纤塑料光纤9.2光纤传感器的工作原理光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元件，直接接收外界的被测量。被测量可引起光纤的长度、折射率、直径等方面的变化，从而使得在光纤内
8、传输的光被调制。用被测量
