2013光纤传感器课件

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1、本学时主要讲解内容：1.光纤传感器结构与传光原理2.光纤传感器的调制形式及应用举例机械工程测试技术33-34学时第6章传感器原理与测量电路(10)一.光纤传感器结构与传光原理1.什么是光纤传感器?光导纤维传感器（简称光纤传感器）,光纤传感器是随着高新技术发展的一种新型传感器。光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件（光纤或非光纤的）、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。信号处理光发送器光接收器敏感元件光纤光纤由光发送器发出的光源经过光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理

2、得到所期待的被测量。光纤传感器的产品举例：光纤传感器中的光纤发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。上海东方明珠光纤传感器外形光纤式光电开关反射型遮断型反射镜反射型激光二极管的外形激光二极管芯片光纤式光电开关应用标志孔电路板标志检测当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。光纤耦合器传输光纤出射光纤光纤式光电开关应用遮断型光纤光电开关出射光纤接收光纤光纤式光电开关应用采用遮断型光纤光电开关对IC芯片引脚进行检测光纤的其他应用军用光纤陀螺：将激光射入绕成线圈的光纤，当线圈的底座随运动物体旋转时，可以测得出射光的

3、相位发生变化，它的灵敏度比机械陀螺高，无机械磨擦力。光纤内窥镜2.光纤的结构光纤是用比头发丝还细的石英玻璃制成的，每根光纤由圆柱形的内芯和包层及护套组成。结构如下图所示:5-75μm包层玻璃纤维尼龙护套涂敷层纤芯护套直径1mm图4.1光纤的结构纤芯:由玻璃或塑料制成。其芯直径为5~75m。包层:包层可以是一层，二层或多层结构。由特性与纤芯略有不同的玻璃或塑料制成。护套:通常采用不同颜色的塑料管套，一方面起保护作用，另一方面以颜色区分各种光纤。许多根单条光纤组成光缆。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的光学性能,钎芯的折射率n1略大于包层的折射率n2（n1>n2）5-75μm包层玻璃纤维尼龙

4、护套涂敷层纤芯护套直径1mm而纤芯的强度则由护套来维持。3.光纤的传光原理光是直线传播的。然而入射到光纤中的光线却能限制在光纤中，而且随着光纤的弯曲而走弯曲的路线，并能传送到很远的地方去。光纤的直径比光的波长大很多，可以用几何光学的方法来说明光在光纤中的传播。根据斯乃尔定律,当光从光密（折射率大）介质射向光疏（折射率小）介质，且入射角大于临界角时，光会产生全反射，即光不再离开光密介质。如下图所示：光线在两种不同介质的分界面上，会产生折射现象。光的折射、反射当一束光线以一定的入射角θ1从介质1射到介质2的分界面上时，一部分能量反射回原介质即称为反射光线；另一部分能量则透过分界面，在另一介质

5、内继续传播即称为折射光线。入射光线反射光线折射光线折射定律为：n1sinθ1=n2sinθ2(1)式中,θ1为入射角、θ2为折射角.n1和n2分别为介质1和介质2的折射率.当n1>n2；θ1<θ2时，光会产生折射和反射。若逐渐增大入射角θ1时,折射角θ2也会随之增大，且始终入射角小于折射角（θ1<θ2），当折射角增大到θ2=90°时，入射角θ1任然小于90°，将导致折射波只能在介质分界面上传播，此时称为临界状态。对这个极限值时的入射角，定义为临界角θc，这时有：折射波Sinθ2=Sin90=1分界面光的全反射当入射角大于θc（即θ1>θc）时，折射角θ2>90°其出射光线将发生全反射。（

6、即出射光不再发生折射，而全部反射）。光的全反射现象是光纤传光原理的基础。光在光纤中的全反射光线自光纤端部射入，其入射角θi必须满足一定的条件才能使光线进入光纤产生全反射，由上图可知，从空气中射入光纤的光并不一定都能在光纤中产生全反射，假设光纤纤芯的折射率n1要大于包层的折射率n2，图中的光线①表示临界状态，此时光线和纤芯中轴线的夹角θmax（即临界角）。②表示入射角过大,光线不能满足要求,大部分光线将穿透包层而逸出,这叫漏光。只有图中的光线③和纤芯中轴线的夹角为θi的夹角称为入射角θi<临界角θmax（即θC）时，发生全反射,所以这些光线一直被截留在光纤中,在界面上产生多次的全反射,以锯

7、齿形的路线在纤芯中传播。在理想情况下,将无损耗地通过光纤纤芯传输,直到它到达光纤的端面为止。4.光纤的主要参数1）数值孔径NA（NumericalAperture)NA是光纤的一个基本参数,反映了光纤的集光能力。它的数学表达式为：式中,n1为纤芯折射率,n2为包层折射率。θC为临界角，n0为光纤周围媒质的折射率。对于空气,n0=1则一般希望有大的数值孔径,以利于耦合效率的提高,但数值孔径越大,光信号畸变就越严重,所以要适当选择。产品