3.9 光纤和激光传感器

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1、第三章物理传感器的基本原理——3.9光纤和激光传感器2009年诺贝尔物理奖得主高锟被誉为“光纤之父”。早在1966年，高锟就在一篇论文中首次提出用玻璃纤维作为光波导用于通讯的理论。简单地说，就是提出以玻璃制造比头发丝更细的光纤，取代铜导线作为长距离的通讯线路。这个理论引起了世界通信技术的一次革命。随着第一个光纤系统于1981年成功问世，高锟“光纤之父”美誉传遍世界。光纤(opticalfiber)是光导纤维的简称。它是利用光的全反射原理,高效率地传输光能的玻璃或塑料纤维。用途：利用光传递多种信息,如光纤通讯等,光纤传递图像信息。在生物医学中,用光纤传输图像

2、,如内窥镜等。光纤传感器是二十世纪70年代迅速发展的一种新型传感器。光导纤维具有良好的电气绝缘性能，不受电磁场干扰，耐高温、耐腐蚀、体积小、重量轻、可绕曲等优点，广泛用于对温度、压力、速度、位置、化学成分、液面、电流、应变及核辐射等物理量进行高精度检测,应用前景极为广阔。3.9.1光纤传感器非功能性：将光纤引入传输网络，是对传统的以铜导线为载波传送电信号的巨大冲击，它以高速度、高可靠性传送大量信息。它具有不受电磁干扰、绝缘性好、安全防爆、损耗低、传输频带宽、容量大、直径细、重量轻、可绕曲和耐腐蚀等优点。因此很快地被应用到信号检测领域中，特别是经过特别设计、

3、制造及处理的特殊光纤，其一些参数可随外界某些因素而变化，因而这些光纤又具有了敏感元件的功能，这样的光纤又开辟了一个新的领域：功能型光纤（光纤传感器）可以测量的物理信息种类：声、振动、温度、磁、旋转等3.9.1光纤传感器1）光纤的构造纤芯为石英玻璃等材料制成的导光纤维细丝，直径在5～100μm范围内；包层材料的折射率n2略低于纤芯材料的折射率n1，包层外径在100～350μm范围内。包层外面涂敷硅树酯之类的缓冲层，最外层包有起保护及屏蔽作用的尼龙套管。光纤呈圆柱形，两端面为平面（a）光纤断面构造；（b）光纤中的光的传输几何光学理论,光以小的入射角θ1,由

4、折射率(n1)大的光密物质射向折射率(n2)小的光疏物质(即n1>n2)时,一部分光以θ2折射入光疏物质,其余以θ1角度反射回光密物质。光在光纤中的全反射条件只要使从空气射入射入光纤端面A的光与光轴的夹角θ0小于一定值,保证射至界面B的入射角大于临界角θC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在光纤内经过若干次的全反射,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设光纤纤芯折射率n1，覆盖层折射率n2。满足n1>n2,在界面B产生全反射条件为：光在A点入射，光纤周围媒质为空气,其折射率n0=1,由sh

5、ell定律得：光纤的数值孔径NA：在光纤内发生全反射的光入射角θ0。数值孔径取决光纤材料，决定入射光角θ0。凡入射角小于θ0,光能全反射,从光纤传到另一端。入射角大于θ0,光部分透过壁入外层,在一定距离内将能量逐渐折射耗尽,不会继续传导。光纤的特性传播损耗由于光在光纤中传播时的吸收，散射和结构缺陷损耗等原因，存在传播损耗，它随波长、频率增大而迅速增加石英半模光纤在波长为1.55μm时，损耗为0.2dBKm-1光纤色散光纤材料的折射率是光信号频率的函数，它反映了传输带宽、信息传输容量和品质光纤非线性入射光变化引起频率转换、散射、折射等，对光通信不利，确可作为

6、光纤传感器测量的依据3.9.1.2光纤的分类根据折射率分布函数：阶跃型和梯度型根据光纤传输模数N单模光纤和多模光纤先可分解为沿轴向和径向传播的平面波沿径向传播的平面波在纤芯和包层的界面上产生反射如此波在一个往复（入射和反射）中相位变化2π的整数倍时就形成驻波只有驻波在2θ0光锥内射入光纤的光才能在光纤中传播一个驻波就是一个模在光纤中只能传播一定量的模，纤芯直径为5μm时只能传播一个模，称为单模光纤，纤芯直径为50μm以上时能传播数百个模，称为多模光纤光纤血压传感器(a)液晶感受压力型:液晶受压后,光散射特性发生变化,使反射光的光通量改变(b)薄膜感受压力型

7、:压力作用于薄膜片使其产生位移,导致反射光的角度,光通量改变光纤温度传感器纤芯为Si02材料,覆盖层用甘油等对温度依赖性大温度变化引起覆盖层折射率改变,引起反射光量变化,达到测温的目的。特点抗干扰能力强,无电信号不会电击,对生命体安全在一项霉菌副鼻窦炎手术中，医生正使用左方的“长颈鹿钳”，把“额前副鼻窦开口”的小骨块钳走，为开口处清除障碍物。右方部位为中鼻甲。内窥镜的发展内窥镜在200年里结构发生了4次大的改进，从最初的硬管式内镜、半曲式内镜到纤维内镜，又到如今的电子内镜，影像质量也发生了一次次质的飞跃。最初Bozzine研制的第一台硬管内镜以烛光为光源，

8、后来改为灯泡作光源，而当今从内镜获得的是彩色相片或彩色电视图像。这