第6章 光纤传感器答辩ppt课件.ppt

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1、传感器原理及应用技术第6章光纤传感器6.16.2基础知识光纤传感器的分类及构成6.36.4功能型光纤传感器举例非功能型光纤传感器举例光(导)纤(维)（OpticalFiber）是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体光电探测器等一起构成了新的光学技术，即光电子学新领域。光纤的最初研究是为了通信。光纤传感器是伴随着光纤通讯和光学技术而发展起来的一种新型传感器。光纤传感器的优点是：灵敏度高，响应速度快，动态范围大，防电磁干扰，超高电绝缘，防燃、防爆，耐腐蚀，材料资源丰富，成本低，可实现的测量物理量广。光纤传感器的缺点是：

2、有时系统比较复杂。光纤的结构很简单，通常由纤芯、包层及外套组成(如图6.1所示)。纤芯位于光纤的中心部位，它是由玻璃、石英或塑料等制成的圆柱体，一般直径约为5～150μm。光主要通过纤芯传输。围绕着纤芯的那一层叫包层，材料也是玻璃或塑料等。6.1基础知识6.1.1光纤的结构图6.1由纤芯、包层及外套组成的光纤的结构示意图纤芯和外层材料的折射率不同，纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2。由于纤芯和包层构成了一个同心圆双层结构，所以光纤具有使光功率封闭在里面传输的功能。外套起保护光纤的作用。通常人们又把较长的或多股的光纤称为光缆。

3、6.1基础知识6.1.1光纤的结构根据纤芯到包层的折射率的变化规律，光纤可分为阶跃型和梯度型两种。6.1.2光纤的种类6.1基础知识阶跃型光纤如图6.2(a)所示。纤芯的折射率n1分布均匀，固定不变，包层内的折射率n2分布也大体均匀，但纤芯到包层的折射率变化呈台阶状。在纤芯内，中心光线沿光纤轴线传播，通过轴线的子午光线(光的射线永远在一个平面内运动，这种光线称为子午光线)呈锯齿形轨迹。6.1.2光纤的种类6.1基础知识1.阶跃型光纤6.1.2光纤的种类6.1基础知识1.阶跃型光纤图6.2光纤的种类和光传播形式梯度型光纤纤芯内的

4、折射率不是常数，从中心轴线开始沿径向大致按抛物线规律变化，中心轴处的折射率最大，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。光线传播的轨迹类似于正弦波曲线。这种光纤又称为自聚焦光纤。图6.2(b)示出了经过轴线的子午光线传播的轨迹。6.1.2光纤的种类6.1基础知识2.梯度型光纤6.1.2光纤的种类6.1基础知识1.阶跃型光纤图6.2光纤的种类和光传播形式根据光纤的传输模式分类，可以把光纤分为多模光纤和单模光纤两类。阶跃型和梯度型为多模光纤，而图6.2(c)所示的为单模光纤。6.1.2光纤的种类6.1基础知识图6.2

5、光纤的种类和光传播形式只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤的光波才能在光纤内传播，这些光波就称为模。6.1.2光纤的种类6.1基础知识在光纤内只能传输一定数量的模。通常纤芯较粗时，能传播几百个以上的模，只能传播一个模的，称为单模光纤。6.1.2光纤的种类6.1基础知识6.1.2光纤的种类6.1基础知识6.1.3光纤的传光原理首先讨论光的全反射原理。在几何光学中当光线以较小的入射角φ1(φ1＜φc,φc为临界角)由光密媒质(折射率为n1)射入光疏媒质(折射率为n2)时(如图6.3(a)所示)，折射角φ2满足Snell法则：n1s

6、inφ1=n2sinφ2根据能量守恒定律，反射光与折射光的能量之和等于入射光的能量。6.1基础知识6.1.3光纤的传光原理6.1基础知识图6.3光线入射角小于、等于和大于临界角时界面上发生的反射6.1.3光纤的传光原理若逐渐加大入射角φ1，一直到φc，则折射光就会沿着分层媒质的交界面传播，折射角φ2=90°，如图6.3(b)所示。此时的入射角φ1=φc，φc由下式决定：若继续加大入射角φ1(即φ1＞φc)，则光不再产生折射，而只有光密媒质中的反射，即形成了光的全反射现象。6.1基础知识6.1.3光纤的传光原理6.1基础知识图6

7、.3光线入射角小于、等于和大于临界角时界面上发生的反射6.1.3光纤的传光原理光的全反射现象是光纤传光原理的基础。下面我们以阶跃型多模光纤为例，进一步说明光纤的传光原理。6.1基础知识设纤芯的折射率为n1，包层的折射率为n2设（n1>n2），空气折射率为n0。6.1.3光纤的传光原理6.1基础知识图6.4阶跃型多模光纤中子午光线的传播6.1.3光纤的传光原理图6.4(a)中，设光线在A点入射，根据Snell法则，有n0sinθ0=n1sinθ1=n1cosφ16.1基础知识要使入射光线在界面发生全反射，应满足式(6.3)：由三角

8、函数公式，有6.1.3光纤的传光原理这就是能产生全反射的最大入射角范围。入射角的最大值θc可由上式求出,即6.1基础知识得:若仿照研究透镜那样,引入光纤的数值孔径NA这个概念,则2.1.4光纤的特性6.1基础知识设光纤入射端与出射端的光功率分别为Pi和Po，光纤