朱彭 光纤传感器

《朱彭 光纤传感器》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、光纤传感器朱彭2011/12/12一．光纤传感器概述利用光导纤维的传光特性，把被测量转换为光特性(强度、相位、偏振态、频率、波长)改变的传感器。传感器在当代科技领域及实际应用中占有十分重要的地位,各种类型的传感器早已广泛应用于各个学科领域。光纤是近几年发展，最为迅速的新一代光无源器件,在光纤通信和光纤传感等相关领域发挥着愈来愈重要的作用。光纤传感器是近几十年来迅速发展起来的一种新型传感器，它具有抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高等一系列优点，具有广泛的应用前景。光纤传感器分为两类：一类称为功能型传感器，它的光纤对被测

2、信号兼有敏感和传输的作用；另一类称为非功能型传感器，它的光纤仅起传输的作用。功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号，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，多采用多模光纤，非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤，光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。近年来，传感器在朝着灵

3、敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。二．光纤传感器原理（1）光纤的原理：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

4、。光纤的结构如图所示芯的折射率比包层的折射率稍大，当满足时一定条件，光就被“束一定条件缚”在光纤里面传播。(2)光纤的结构光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。光纤的结构如图1所示，它由折射率n1较大(光密介质)的纤芯，和折射率n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。(3)传光原理光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。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(即n1＞n2)时(见图2)，则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

5、介质1。依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律，有(1)当θ1角逐渐增大，直至θ1=θc时，透射入介质2的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播(θ2=90°)。对应于θ2=90°时的入射角θ1称为临界角θc；由式(1)则有(2)由图(1)和图(2)可见，当θ1＞θc时，光线将不再折射入介质2，而在介质(纤芯)内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。这就是光纤传光的工作基础。同理，由图1和Snell定律可导出光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角)为      

6、                         (3)式中NA——定义为“数值孔径”。它是衡量光纤集光性能的主要参数。它表示：无论光源发射功率多大，只有2θc张角内的光，才能被光纤接收、传播(全反射)；NA愈大，光纤的集光能力愈强。产品光纤通常不给出折射率，而只给出NA。石英光纤的NA=0.2～0.4。(4)光纤分类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0.47 dB/km。锗硅光纤，包层用硼硅材料，其损耗约为0.5 dB/km。(2)多组分玻璃光纤用常规

7、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3.4 dB/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100～200 dB/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，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

8、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。其折射率分布均为阶跃型。单模