第五章 光纤传感器.ppt

光纤传感器FOS(Fiber Optical Sensor)是20世纪70年代发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物,它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体,用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此,它同时具有光纤及光学测量的特点。
①电绝缘;
②抗电磁干扰高电压大电流,强磁场噪声,强辐射;
③非侵入性;
④高灵敏度;
⑤容易实现对被测信号的远距离监控。
光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量
第六节光纤传感器
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各种装饰性光导纤维
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发光二极管产生多种颜色的光线,通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下,可产生动态图案。
上海东方明珠
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一、光导纤维导光的基本原理
光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论指出:在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间,可以用“光线”即几何光学的方法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。为此, 采用几何光学的方法来分析。
1、斯乃尔定理(Snell's Law)
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,其折射角大于入射角,即n1>n2时,θr>θi。
n1
n2
θr
θi
光的折射示意图
可见,入射角θi增大时,折射角θr也随之增大,且始终θr>θi。
n1、n2、θr、θi之间的数学关系为
n1sinθi=n2sinθr
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当θi>θi0并继续增大时,θr>90º,这时便发生全反射现象,如图,其出射光不再折射而全部反射回来。
式中:θi0——临界角
θi0=arcsin(n2/n1)
sinθi0=n2/n1
sinθr=sin90º=1
n1
n2
θr
θi
光全反射示意图
n1
n2
θr
θi
临界状态示意图
当θr=90º时,θi仍<90º,此时,出射光线沿界面传播如图,称为临界状态。这时有
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2、光纤结构
光纤呈圆柱形,它由玻璃纤维芯(纤芯)和玻璃包皮(包层)两个同心圆柱的双层结构以及护套组成。
纤芯位于光纤的中心部位,光主要在这里传输。,光线在这个界面上反射传播。
光纤结构
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光的全反射实验
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3、光纤导光原理及数值孔径NA
入射光线AB与纤维轴线OO相交角为θi,入射后折射(折射角为θj)至纤芯与包层界面C点,与C点界面法线DE成θk角,并由界面折射至包层,CK与DE夹角为θr。则
n0sinθi=n1sinθj n1sinθk=n2sinθr
sinθi=(n1/n0)sinθj
sinθk=(n2/n1)sinθr
因θj=90º-θk 所以
θj
θi
θk
θr
A
B
C
D
E
F
G
K
O
O
n0
n2
n1
光纤导光示意图
n0为入射光线AB所在空间的折射率,一般为空气,故n0≈1,nl为纤芯折射率,n2为包层折射率。当n0=1时
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上式sinθi0为“数值孔径” NA(Numerical Aperture)。由于n1与n2相差较小,即n1+n2≈2n1,故又可因式分解为
Δ=(n1-n2)/n1称为相对折射率差
当θr=90º的临界状态时,θi=θi0
当θr<90º时,sinθi>NA,θi>arcsin NA,光线消失。
结论:arcsinNA是一临界角,凡入射角θi>arcsinNA的光线进入光纤都不能传播而在包层消失;相反,只有入射角θi<arcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播。
当θr=90º时
当θr>90º时,光线发生全反射,则
sinθi0=NA θi0=arcsin NA
θi<θi0=arcsin NA
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4、光纤的主要参数
(1)传播损耗
光纤纤芯材料和包层物质的吸收、散射、畸变,以及光纤弯曲处的辐射损耗等, 它表示光强度相对衰减与光纤长度的关系。
(2)光纤模式
是光波沿光纤传播的途径和方式。
(3)色散
表征光纤传输特性的一个重要参数,在光纤通讯中反映传输带宽,影响通讯信息的容量和质量。
①多模色散
②材料色散和波导结构色散
(4)光纤强度
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