光纤传感技术课件.ppt

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1、第七章光纤传感技术光纤的基本概述功能型光纤传感器非功能型光纤传感器光纤传感器的应用举例10/4/20211光导纤维传感器（简称光纤传感器）是20世纪七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点：1.不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；2.可根据需要做成各种形状，可以弯曲；3.可以用于高温、高压,绝缘性好,耐腐蚀。基本采用石英玻璃，主要由三部分组成中心——纤芯；外层——包层；护套——尼龙料。光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，纤芯折射率n1略大于包层折射率n2（n1＞n2）

2、。第一节光纤的结构与传光原理（一）光纤的结构单模：8~10μm多模：大于50μm包层玻璃纤维尼龙外层涂敷层纤芯外层直径1mm一、结构和种类阶跃折射率光纤阶跃剖面n(r)an2n1r纤芯（二）光纤的种类光纤按纤芯和包层材料的性质分类，有玻璃光纤和塑料光纤两类；按折射率分有阶跃型和梯度型二种。右图所示为阶跃型光纤，纤芯的折射率n1分布均匀，不随半径变化。包层内的折射率n2分布也大体均匀。可是纤芯与包层之间折射率的变化呈阶梯状。在纤芯内，中心光线沿光纤轴线传播。通过轴线平面的不同方向入射的光线（子午光线）呈锯齿形轨迹传播。10/4/20214渐变剖面n(r)梯度折射率光纤an2n1r

3、纤芯右图所示为梯度型光纤，纤芯的折射率n1不是常数，从中心轴线开始沿径向大致按抛物线规律逐渐减小。因此光在传播中会自动地从折射率小的界面处向中心会聚。光线偏离中心轴线越远，则传播路程越长。传播的轨迹类似正弦波曲线。这种光纤又称自聚焦光纤。右下图所示为经过轴线的子午光线传播的轨迹。10/4/20215名词解释：子午光线当入射光线通过光纤轴线，且入射角1大于界面临界角时，光线将在柱体界面上不断发生全反射，形成曲折回路，而且传导光线的轨迹始终在光纤的主截面内。这种光线称为子午光线，包含子午光线的平面称为子午面。10/4/20216子午平面10/4/20217光纤的另一种分类方法是按

4、光纤的传播模式来分，可分为多模光纤和单模光纤两类。多模光纤多用于非功能型（NF）光纤传感器；单模光纤多用于功能型（FF）光纤传感器。下面介绍模的概念模的概念在纤芯内传播的光波，可以分解为沿轴向传播的平面波和沿垂直方向（剖面方向）传播的平面波。沿剖面方向传播的平面波在纤芯与包层的界面上将产生反射。如果此波在一个往复（入射和反射）中相位变化为2π的整数倍，就会形成驻波。只有能形成驻波的那些特定角度射入光纤的光才能在光纤内传播，这些光波就称为模。在光纤内只能传输一定数量的模。通常纤芯直径较粗（几十微米以上）时，能传播几百个以上的模，而纤芯很细（5～10微米），只能传播一个模。前者称为

5、多模光纤，后者为单模光纤。光进入光学纤维后,多次在内壁上发生全内反射,光从纤维的一端传向另一端.光学纤维:中央折射率大,表层折射率小的透明细玻璃丝.二、光纤的传光原理10/4/202110图7-3（a）光线入射角小于临界角θ1折射率n2折射率n1θ2θ1<θc入射光反射光折射光当光线以较小的入射角，由光密媒质进入光疏媒质时，一部分光线被反射，另一部分折射入光疏媒质。如图所示。折射角满足斯奈尔（Snell）定律则图7-3（b）光线入射角等于临界角θ1折射率n2折射率n1θ1＝θc入射光反射光折射光当逐渐加大入射角θ1，一直到θc，折射光就会沿着界面传播，此时如右图所示折射角θ1＝

6、90o。这时，入射角θ1＝θc，θc称为临界角，由下式决定：θ2图7-3（c）光线入射角大于临界角折射率n1θ1折射率n2θ1>θc入射光全反射光当继续加大入射角θ1，（即θ1>θc)，光不再产生折射，只有反射，形成光的全反射现象，如右图所示。外反射：10/4/202114入射角大于临界角的光线发生全反射内反射，全内反射：10/4/202115图7-4光纤导光示意图θ1θ0φ1ABCn0n2n1dD2θ0阶跃型多模光纤的传光原理光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；光线在光纤端面入射角φ减小到某一角度φc时，光线全部反射。只要θ＜

7、θc，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。θ1θ0φ1ABCn0n2n1dD2θ0由斯奈尔（Snell）定律：若满足即就能产生全反射。可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（n1、n2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。入射角的最大值为：将sinθc定义为光导纤维的数值孔径,用NA表示,则NA意义讨论：NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2θc张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。一般NA越大集光能力