《光纤传感器》课件

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1、第9章光纤传感器信息载体——光传递媒质——光纤兼具光纤及光学测量的特点。光线传感器与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器的特点：优点：不受电磁干扰，可绕曲，耐腐蚀，高绝缘强度，防爆性好，灵敏度高，能与数字通信系统兼容等。被测量范围广：温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等70多个物理量；应用领域：自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面一、光纤1、基本原理1）几何光学的基本定义和定律光在均匀介质中：直线传播在两介质1和2的界面上发生：反射角＝入射角θ1折射角θ2反射折射2）斯

2、乃尔定律（Snell‘sLaw)——折射定律折射定律：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足：n1sin1=n2sin2光折射示意图n1、n2分别为介质1、2的折射率3）光的全内反射原理（1）当光由光密介质（大折射率n1）射向光疏介质（小折射率n2）时，2>1（3）全反射：当1>c，2>90，在界面上发生全反射（2）折射的临界状态：使2＝90的入射角1称为临界角c光折射示意图临界状态示意图光全反射示意图2、光导纤维——光纤纤芯：玻璃纤维，折

3、射率n1包层：与纤芯同质，折射率n290º，则θ0<θc=arcsinNA当2<90º时，θ0>θc=arcsinNA，光线消失。数值

4、孔径的意义是：无论光源发射功率有多大，只有2θc张角之内的光功率被光纤接受传播。数值孔径是反映纤芯集光性能的主要参数。θc=arcsinNA为“数值孔径”NA(NumericalAperture)。光线刚好不发生折射，即：2=90º则临界入射角：数值孔径的大小由纤芯和包层材料性质决定数值孔径NA对光传输的影响：大的数值孔径，有利于耦合效率的提高。但数值孔径大，光信号将产生大的“模色散”会使信号发生严重畸变典型的光纤θ≈10°（sin10°＝0.175）石英光纤的NA＝0.2～0.43）光纤的类型（1

5、）按折射率变化分类a)阶跃型（stepped）纤芯与包层之间的折射率是突变的，b)渐变型（graded）在纤芯横截面中心处折射率最大其值为n1，由中心向外逐渐变小到与包层交界处折射率n2，通常折射率变化为抛物线型式，又称为梯度型。（2）光纤按传输模式分类a）多模光纤纤芯直径在50～200μm，光信号在光纤中可多光线传输，以多个模式同时传输，由于模间色散较大，限制了传输数字信号的频率和传输距离。可使用LED光源b）单模光纤纤芯直径很小（8～10μm)，只能传输基模(最低阶模)，不存在模间时延差，具有比多模

6、光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。需要用激光源。现在实用的石英光纤通常有以下三种：阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤。3、光纤的特性指标评价信号通过光纤的损耗和色散1）损耗特性评价指标：光强的衰减系数aPi、Po－入射端和出射端光功率，L－光纤长度（km）一般光纤传感器中的光纤L<4m，a<10dB/km的光纤均可选用实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长区的损耗可低到0.18dB/km2）色散特别在光纤通讯中，色散使传输的信号脉冲发生畸变，从而限

7、制了光纤的传输带宽3）光纤的分布类型影响光纤传感器灵敏度的有：光纤束的数量、尺寸和分布,以及每根光纤的数值孔径(a)随机分布(b)半球形对开分布(c)共轴内发射分布(d)共轴外发射分布塑料光纤玻璃光纤常规光纤与纱芯光纤217－纱芯光纤直径66m613－纱芯光纤直径42m二、光纤传感器1、光纤传感器分类及其工作原理A）功能型（元件型）光纤传感器光纤为敏感元件，光在光纤内受被测量调制。此类传感器要求高、成本也高。光发送器光受信器光纤敏感元件被测物理量调制光B）非功能型（传光型）光纤传感器利用其他敏感元件

8、感受被测量的变化，光纤仅作为光传输介质，又称为传光型光纤传感器光发送器光受信器传输光纤被测物理量调制光敏感元件2、光调制解调技术光的调制：将信号叠加到光波上。调制原理：外界信号可引起光的强度、波长或频率、相位、偏振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制：分类：强度调制型、频率调制型、相位调制型、偏振调制型3、几种常用的光强调制技术1）微弯调制光纤的弯曲能够使光从纤芯射入包层而产生损耗。微弯光纤传感器敏感元件——变形器。变形器如一对错开的带锯