传感器课件9 光纤传感器

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1、第九章光纤传感器上一页下一页返回9.1光纤传感器基础9.2光调制与解调技术9.3光纤传感器实例各种装饰性光导纤维光纤传感器外形9.1光纤传感器基础光纤波导简称光纤，是用透光率高的电介质(石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。由圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率n1略大于包层的折射率n2。通常直径为几微米到几百微米9.1.1光纤波导原理光纤的结构纤芯包层涂覆层护套光的反射、折射当一束光线以一定的入射角θ1从介质1射到与介质2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。斯乃尔定理当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射（a）折射角θr大于

2、入射角θi：（b）临界状态入射角θi0：（c）全反射：上一页下一页返回光纤导光上一页下一页返回n0为入射光AB所在空间的折射率，一般为空气n0≈1，则：上一页下一页返回当θr=90°的临界状态时，对应的入射角为：Sinθi0定义为“数值孔径”NA（NumericalAperture）相对折射率差arcsinNA是一个临界角，θi>arcsinNA时，光线进入光纤后在包层消失；θi

3、，只有2θi0张角之内的光功率能被光纤接受传播。大的数值孔径：光纤的集光性能强。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。上一页下一页返回光纤按折射率变化类型分类按纤芯到包层折射率变化：阶跃折射率光纤渐变折射率光纤光纤模式光纤模式:光波沿光导纤维传播的途径和方式。以不同角度入射的光线在(n1和n2)界面上的反射次数是不同的。光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播的两种平面波成分。后者在纤芯和包层的界面上会产生全反射。当它在横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。在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不利的，导致合成信号的畸变，因此我

4、们希望模式数量较少为好。上一页下一页返回单模光纤：V<2.405普通单模光纤：n1-n2/n1~310-3r=2~4m多模光纤：r=25~60m包层半径b125m光纤传输模的总数:r为光纤半径，λ为光波波长。希望ν小则r不能太大，且n2与n1之差要小光纤内光传播的模式数量用归一化频率ν表示为9.1.2光纤的特性损耗原因：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/km）式中,L——光纤长度(km)；P0——光纤输出端光强；Pi——光纤输入端光强。上一页下一页返回1.损耗2.色散色散就是输入脉冲在光纤中传输过程时，由于光波的群速度不同

5、而出现的脉冲展宽现象。它使信号脉冲畸变。限制了光纤的传输带宽。(1)材料色散：同一材料的折射率随光波长的变化而变化，这是光信号中各波长分量的光的群速度不同而引起的色散；(2)波导色散：由于波导材料的结构不同，某一波导模式的传播常数随着信号角频率的变化而引起的色散，也称结构色散(3)多模色散：在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率下的传播常数不同，群速度不同而产生的色散。传输距离越长，色散现象越严重。9.1.3光纤传感器的分类光纤传感器是通过对光纤内传输的光进行调制，使传输光的强度、相位、频率或偏振等特性发生变化，再通过对被调制的光信号进行检测，从而得出相应被测量的传感器。光纤

6、传感器一般可分为两大类：功能型FF和非功能型NF功能型FF:利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件。所以也称传感型光纤传感器，或全光纤传感器。非功能型：利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅做为光的传输介质。所以也称为传光型传感器．或混合型传感器。a类：功能型FFb类：非功能型NFC类：拾光型NF上一页下一页返回(a)功能型（全光纤型）光纤传感器光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。上一页下一页返回(b)非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤在其中仅起导光作用

7、，光照在非光纤型敏感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。上一页下一页返回(c)拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。典型例子：光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器上一页下一页返回9.2光调制与解调技术光就是一种横波，光的电矢量E可以用被测量调制光的不同参数，例如：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制上一页下一页返回9.2.1强度调制与解调利用被测对象引起载波光强度