传感器原理及其应用_第9章节_光纤传感器

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1、传感器原理及应用PrincipleandApplicationofSensors第9章光纤传感器FiberOpticSensors光纤传感器(FOS：FiberOpticalSensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。概论光纤传感器的特点:①电绝缘性能好。②抗电磁干扰能力强。③非侵入性。④高灵敏度。⑤容易实现对被测信号的远距离监控。光纤传感器

2、可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量9.1光纤传感器的基本知识9.1.1光纤的结构光纤是光导纤维的简称，形状一般为圆柱形，材料是高纯度的石英玻璃为主，掺少量杂质锗、硼、磷等。光纤的结构如图所示。纤芯的折射率比包层的折射率稍大，当满足一定条件时，光就被“束缚”在光纤里面传播。9.1.2光纤的传光原理如图，根据几何光学理论，当光线以某一较小的入射角，由折射率为n1的光密物质射向折射率为n2的光疏物质(即n1＞n2)时，则一部分入射光以折射角折射入光疏物质，其余部分以角度反射回光密物质，根据折射定律

3、(斯涅尔定律)，光折射和反射之间的关系为：当光线的入射角增大到某一角度时，透射入光疏物质的折射光则沿界面传播，即＝90°，称此时的入射角为临界角。那么，由斯涅尔定律得临界角仅与介质的折射率的比值有关当入射角＞时，光线不会透过其界面，而全部反射到光密物质内部，也就是说光被全反射。根据这个原理，如图所示，只要使光线射入光纤端面的光与光轴的夹角小于一定值，则入射到光纤纤芯和包层界面的角就满足小于临界角的条件，光线就射不出光纤的纤芯。光线在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向前传播，光就能从光纤的一端以光速传播到另一端，这就是光纤传光的基本原理。可

4、以证明，该入射角为光纤的“数值孔径”NA，9.1.3光纤的种类1．按材料分类1)高纯度石英(SiO2)玻璃纤维这种材料的光损耗比较小，在波长时，最低损耗约为0.47dB/km。锗硅光纤，包层用硼硅材料，其损耗约为0.5dB/km。2)多组分玻璃光纤用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤，在波长时，最低损耗为3.4dB/km。3)塑料光纤用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，当时，达到100～200dB/km。但其重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。2．按折射率分类分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤，如图所示。在纤芯和包层的界面上

5、，纤芯的折射率不随半径而变,但在纤芯与包层界面处折射率有突变的称为阶跃型；而光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致的称为渐变型。3．按光纤的传播模式分类根据传输模数的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。什么是光纤的传播模式光纤传输的光波，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。当它在横切向往返一次的相位变化为的整倍数时，将形成驻波。形成驻波的光线组称为“模”；它是离散存在的，亦即一定纤芯和材料的光纤只能传输特定模数的光。单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长

6、。其折射率分布均为阶跃型。单模光纤原则上只能传送一种模数的光，常用于光纤传感器。这类光纤传输性能好，频带很宽，具有较好的线性度；但因芯小，难以制造和耦合。多模光纤允许多个模数的光在光纤中同时传播，通常纤芯直径较大，达几十微米以上。由于每一个“模”光进入光纤的角度不同，它们在光纤中走的路径不同，因此它们到达另一端点的时间也不同，这种特征称为模分散。特别是阶跃折射率多模光纤，模分散最严重。这限制了多模光纤的带宽和传输距离。渐变折射率多模光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴线开始沿径向大致按抛物线形成递减，中心轴折射率最大，因此，光纤在纤芯中传

7、播会自动地从折射率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹类似正弦波形，如图所示，具有光自聚焦效果，故渐变折射率多模光纤又称为自聚焦光纤。因此渐变折射率多模光纤的模分散比阶跃型小得多。9.1.4光纤传感器的基本组成构成光纤传感器除光导纤维之外，还必须有光源和光探测器，另外还有一些光无源器件。示例：遮光式光纤温度计光无源器件是一种不必借助外部的任何光或电的能量，由自身能够完成某种光学功能的光学元器件，光无源器件按其功能可分为光连接器件、光衰减器件、光功率分配器件、光波长分配器件、光隔离器件、光开关器件、光调制器件等。发光二极管激光二极管光源专用的光

8、纤连接头及光纤插座光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。光电转换器件采用光电二极管9.2光纤传感器的分类及其工