第4章 第4.补1 光纤 激光传感器

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1、光纤传感器一、光纤传感器发展概况二、光导纤维的结构和传输原理三、光纤传感器的工作原理四、光导纤维的主要参数五、光纤传感器的应用光纤——光导纤维，是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介质材料制成的极细的纤维，是一种理想的光传输线路。光纤传感器（FiberOpticSensor，FOS）兴起于20世纪70年代，是一类较新的光敏器件，它是利用被测量对光纤内传输的光波进行调制，使光波的一些参数，如强度、频率、波长、相位、偏振态等特性产生变化来工作。可以测量位移、加速度、压力、温度、磁、声、电等物理量。光纤传感器发展概况1977年，美国海军研究所(NRL-

2、NationalNavalResearchLaboratory)开始执行光纤传感器系统计划。光纤传感器问世1983年起，国际光纤传感器会议定期召开，光纤传感器的研究成为世界研究热点。各个发达国家都做了大量的研究工作，具体如下：美国（激光核聚变计划）FOSS(FiberOpticSensorSystem)水声器、磁强计等水下检测设备FOG(FiberOpticGyroscope)光纤陀螺：发展最快，取得成果最好的领域之一NRM(NuclearRadiationMonitor)核辐射监测飞机发动机监控：温度、叶尖故障、火焰燃烧、叶片振动、油量CR

3、P(CivilResearchProject)民用研究计划英国（阿维尔计划）1982年成立英国光纤传感器合作协会高电压光纤电流传感器--中央电气研究所光纤陀螺、水声器—伦敦大学光纤传感器的多路测试设备—曼彻斯特大学光全息技术—牛津大学特种光纤和光学测试仪器—南安普顿大学德国（激光2000）光纤陀螺的研究和开发水平仅次于美国，居世界第二。西门子公司等均在光纤传感器方面有研究。1980年，西门子公司开发出了高压光纤电流传感器。日本1979-1986年，从事光纤传感器技术研究工作的公司和大学共24家。1980-1983年，申请光纤传感器的相关专利

4、共464项。我国1983年，光纤传感器第一次全国性会议在杭州召开。在“七五”规划中提出了15项光纤传感器的研究项目。目前的研究工作主要由各高校和研究所承担。清华、北航、北京交大……市场需求光纤高温传感器。传统使用铂铑热电偶来测量高温，寿命短、成本高，而且需要停电（从而导致停产）来更换热电偶。电力系统需求。如对高压变压器和大型电动机的定子、转子的温度检测等，由于电类传感器易受强电磁场的干扰，无法使用。在石油、化工、大型电厂等系统内，需要检测各种气体的浓度、成分等，采用电类传感器达不到要求的精度。二、光纤结构与传输原理纤芯包层涂覆层护套光纤通常由纤

5、芯、包层及保护套组成。纤芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圆柱体，直径约为5～150μm。包层的材料也是玻璃或塑料等，但纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2。（1）光纤的结构涂覆层在包层的外面，用环氧树脂或者硅胶等高分子材料做成，其外径一般为300μm左右。涂覆层的作用是保护光纤不受水汽和各种有害物质的侵蚀、防止光纤被划伤，同时还可增强光纤的柔韧性，提高机械强度，增加抗老化性能及延长光纤的寿命。二、光纤结构与传输原理（1）光纤的结构纤芯包层涂覆层护套外套的材料是尼龙料，外套起保护光纤的作用。在涂覆层的外面加一层保护套，可构成一个完整的单根光纤

6、。将多根光纤放在一个保护套内，按一定的结构排列即可构成光缆。二、光纤结构与传输原理（1）光纤的结构纤芯包层涂覆层护套传光原理：光在光纤界面内产生全反射。二、光纤结构与传输原理（2）光纤的传光原理光的全反射当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角θc。当入射角小于θc时，入射光线将发生全反射。斯涅尔定理（Snell'sLaw）可见，入射角θi增大时，折射角θr也增大，且始终θr＞θi。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(a)，其折射角

7、大于入射角，即n1＞n2时，θr＞θi。n1、n2、θr、θi之间的数学关系为n1sinθi=n2sinθrθi0=arcsin(n2/n1)sinθi0=n2/n1sinθr＝sin90º＝1当θr=90º时，θi＜90º，出射光线沿界面传播如图（b），称为临界状态。这时有n1n2θrθi(a)光的折射示意图n1n2θrθi(b)临界状态示意图n1n2θrθi(c)光全反射示意图当θi＞θi0并继续增大时，θr＞90º，便发生全反射现象，如图(c)，其出射光不再折射而全部反射回来。式中：θi0——临界角光在光纤中的全反射光的全反射实验1，光纤

8、是光信号的传输媒介；?2，当光信号在光纤中传播时，表征光信号的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素(如温度、压力、磁场、电场、位移等)的作