光电式传感器-光纤传感器

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1、8.2光纤传感器光纤传感器（FOS）是基于光导纤维它制成的新型传感器。1.光纤传感器与常规传感器相比也有很多特点：抗电磁干扰能力强、高灵敏度、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单、以及与光纤传输线路相容等。2.特点光纤传感器可应用于：位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。3.光纤传感器的应用8.2.1光纤结构及其传光原理光导纤维简称光纤，中心的圆柱体叫纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫包层。纤芯和包层通常由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射率n1(光

2、密介质)略大于包层的折射率n2(光疏介质)，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。在包层外面还常有一层保护套，多为尼龙材料，以增加机械强度。1.光纤结构光缆的外形及光纤的拉制2.光纤传光原理根据几何光学原理，当光线以较小的入射角θ1由光密介质1射向光疏介质2（n1＞n2）时，一部分入射光将以折射角θ2折射入介质2，其余部分仍以θ1反射回介质1。光在两介质界面上的折射和反射光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。图8－40光纤的传光原理若光在纤芯和包层的界面上发生全反射，则界面上的光线临界折射角φc=90°，即φ′≥φc=90°。根据斯涅耳（Snell）光的折射定律

3、，由图8-40可得n0为光纤外界介质的折射率。当φ′=φc=90°时（即发生全反射条件），有产生全反射的条件为满足光在光纤内的全内反射，光入射到光纤端面的入射角θi应满足一般光纤所处环境为空气，则n0=1，这样上式可表示为实际工作时需要光纤弯曲，但只要满足全反射条件，光线仍然继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。光的全反射实验8.2.2光纤基本特性数值孔径是表征光纤集光本领的一个重要参数，即反映光纤接收光量的多少。其意义是：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。如入射角过大，光线便从包层逸出而产生漏光。光纤的

4、NA越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，这有利于提高耦合效率；但数值孔径过大，会造成光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为0.2~0.4。数值孔径（NA）定义为1.数值孔径（NA）2.按光纤传输模数分类根据光纤的传输模式分类，可以把光纤分为多模光纤和单模光纤两类。模的概念可简单介绍如下：在纤芯内传播的光波，可以分解为沿轴向传播的平面波和沿垂直方向（剖面方向）传播的平面波。沿剖面方向传播的平面波在纤芯与包层的界面上将产生反射。如果此波在一个往复（入射和反射）中相位变化为2π的整数倍，就会形成驻波。只有能形成驻波的那些以特定

5、角度射入光纤的光波才能在光纤内传播，这些光波就称为模。一般纤芯直径为2~12μm，只能传输一种模式称为单模光纤，常用于光纤传感器。这类光纤的传输性能好，信号畸变小，信息容量大，线性好，灵敏度高，但由于纤芯尺寸小，制造、连接和耦合都比较困难。在光纤内只能传输一定数量的模。通常，纤芯直径较粗（几十μm以上）时，能传播几百个以上的模，而纤芯很细（5～10μm）时，只能传播一个模。前者称为多模光纤，后者称为单模光纤。纤芯直径较大（50~100μm）传输模式较多称为多模光纤。这类光纤的性能较差，输出波形有较大的差异，但由于纤芯截面积大，故容易制造，连接和耦合比较方便。3.光

6、纤传输损耗目前常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、复合材料等。在这些材料中，由于存在杂质离子、原子的缺陷等都会吸收光，从而造成材料吸收损耗。（1）吸收损耗光纤传输损耗主要来源于材料吸收损耗、散射损耗和光波导弯曲损耗。散射损耗主要是由于材料密度及浓度不均匀引起的，这种散射与波长的四次方成反比。因此散射随着波长的缩短而迅速增大。所以可见光波段并不是光纤传输的最佳波段，在近红外波段（1~1.7μm）有最小的传输损耗。因此长波长光纤已成为目前发展的方向。（2）散射损耗光纤拉制时粗细不均匀，造成纤维尺寸沿轴线变化，同样会引起光的散射损耗。另外纤芯和包层界面的不光滑、污染等

7、，也会造成严重的散射损耗。光波导弯曲损耗是使用过程中可能产生的一种损耗。光波导弯曲会引起传输模式的转换，激发高阶模进入包层产生损耗。当弯曲半径大于10cm时，损耗可忽略不计。（3）光波导弯曲损耗光纤传输损耗设光纤入射端与出射端的光功率分别为Pi和Po，光纤长度为L（单位：km），则光纤的损耗a(单位：dB／km)可以用下式计算：光纤传感器原理实际上是研究光在调制区内，外界信号（温度、压力、应变、位移、振动、电场等）与光的相互作用，即研究光被外界参数的调制原理。8.2.3光纤传感器1.光纤传感器的基本工作原理及组成（1）基本工作原理外界信号可能引起光的强度、波长、频

8、率、相位、