传感器原理及应用程德福第五章节光纤传感器

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1、光纤传感器FOS(FiberOpticalSensor)是20世纪70年代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。①电绝缘；②抗电磁干扰高电压大电流，强磁场噪声,强辐射；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、磁场等物理量第六节　光纤传感器1尚辅网http://shangfuwang.com/各种装饰性光导纤维2

2、尚辅网http://shangfuwang.com/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3尚辅网http://shangfuwang.com/一、光导纤维导光的基本原理光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间,可以用“光线”即几何光学的方法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。为此,采用几何光学的方法来分析。1、斯乃尔定理（Snell'sLaw）当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图，其折射角大于

3、入射角，即n1＞n2时，θr＞θi。n1n2θrθi光的折射示意图可见，入射角θi增大时，折射角θr也随之增大，且始终θr＞θi。n1、n2、θr、θi之间的数学关系为n1sinθi=n2sinθr4尚辅网http://shangfuwang.com/当θi＞θi0并继续增大时，θr＞90º，这时便发生全反射现象，如图，其出射光不再折射而全部反射回来。式中：θi0——临界角θi0=arcsin(n2/n1)sinθi0=n2/n1sinθr＝sin90º＝1n1n2θrθi光全反射示意图n1n2θrθi临界状态示意图当θr=90º时，θi仍＜90º，此时，出射光线沿界面传播如图，称

4、为临界状态。这时有5尚辅网http://shangfuwang.com/2、光纤结构光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯(纤芯)和玻璃包皮(包层)两个同心圆柱的双层结构以及护套组成。纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤心折射率n1比包层折射率n2稍大些．两层之间形成良好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。光纤结构6尚辅网http://shangfuwang.com/光的全反射实验7尚辅网http://shangfuwang.com/3、光纤导光原理及数值孔径NA入射光线AB与纤维轴线OO相交角为θi，入射后折射(折射角为θj)至纤芯与包层界面C点，与C点界面法线DE成θk角，并由

5、界面折射至包层，CK与DE夹角为θr。则n0sinθi=n1sinθjn1sinθk=n2sinθrsinθi=(n1/n0)sinθjsinθk=(n2/n1)sinθr因θj=90º－θk所以θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1光纤导光示意图n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般为空气，故n０≈1，nl为纤芯折射率，n2为包层折射率。当n０=1时8尚辅网http://shangfuwang.com/上式sinθi0为“数值孔径”NA(NumericalAperture)。由于n1与n2相差较小，即n1+n2≈2n1,故又可因式分解为Δ=(n1-n2)/n1称为相对

6、折射率差当θr=90º的临界状态时，θi=θi0当θr<90º时，sinθi>NA，θi>arcsinNA，光线消失。结论：arcsinNA是一临界角,凡入射角θi＞arcsinNA的光线进入光纤都不能传播而在包层消失；相反,只有入射角θi＜arcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播。当θr=90º时当θr>90º时，光线发生全反射，则sinθi0=NAθi0=arcsinNAθi<θi0=arcsinNA9尚辅网http://shangfuwang.com/4、光纤的主要参数（1）传播损耗光纤纤芯材料和包层物质的吸收、散射、畸变，以及光纤弯曲处的辐射损耗等,它表示光强度相对衰

7、减与光纤长度的关系。（2）光纤模式是光波沿光纤传播的途径和方式。（3）色散表征光纤传输特性的一个重要参数，在光纤通讯中反映传输带宽，影响通讯信息的容量和质量。①多模色散②材料色散和波导结构色散（4）光纤强度10尚辅网http://shangfuwang.com/二、光纤传感器结构原理及分类1、光纤传感器结构原理以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。见图(a)。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。见图(b)。光纤信号处理光