第八节光纤传感器.ppt

第8章光纤传感器
宁夏大学

机械工程学院
本章学习要求:
——全反射
、种类、特点
——光纤涡流流量计
光导纤维及其传光原理
光纤是一种光信号的传输媒介。
光纤的结构:最内层的纤芯是一种截面积很小、质地脆、易断裂的光导纤维,制造材料可以是石英、玻璃或塑料。纤芯的外层由折射率比纤芯小的材料制成。
由于纤芯与包层之间存在着折射率的差异,光信号得以通过全反射在纤芯中不断向前传播。光纤的最外层是起保护作用的外套。通常是将多根光纤扎成束并裹以保护层制成多芯光缆。
一、光纤结构和种类
光纤的种类:
1)按纤芯和包层的材质:玻璃光纤、塑料光纤。
2)按折射率的变化:阶跃型、渐变型(聚焦光纤)。
3)按传播模式:单模光纤、多模光纤。
单模光纤直径较小,只能传输一种模式。其优点是:信号畸变小、信息容量大、线性好、灵敏度高;缺点:纤芯较小,制造、连接、耦合较困难。
多模光纤直径较大,传输模式不只一种。其缺点是:性能较差。优点:纤芯面积较大,制造、连接、耦合容易。
2R
2r
n2
n1
n0
光纤结构
n2
n1
纤芯
包层
光纤传输的优点:
1)频带宽:光纤支持很宽的带宽(1014~1015 HZ),覆盖了红外线和可见光的频谱。
2)速率高:单模光纤的传输速率能达到几Gb/s。
3)抗干扰能力强:抗电磁干扰能力强,且光束本身又不向外辐射,适用于长距离的信息传输及安全性要求较高的场合。
4)光纤衰减较小,中继器的间距较大。
光纤的缺点:系统成本较高、不易安装与维护、易断裂等。
二、光导纤维传光的基本原理
1、斯乃尔定理(Snell‘s Law)(折射定律)
n1
n2
b
a
(a)光的折射示意图
可见,入射角a增大时,折射角b也随之增大,且始终a ﹤b。
n1、n2、a、b之间的数学关系为
n1sina=n2sinb
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),其折射角大于入射角,即n1>n2时,b>a。
当b=90º时,a仍<90º,此时,出射光线沿界面传播如图(b),称为临界状态。这时有
n1
n2
b
ac
(b)临界状态示意图
光进入纤芯在纤芯和包层的界面发生全反射,全反射是光纤传光的基础。
sinb=sin90º=1
sin ac =n2/n1
ac =arcsin(n2/n1)
ac——临界角
当a> ac并继续增大时,b>90º,这时便发生全反射现象,如图(c) ,其出射光不再折射而全部反射回来。
n1
n2
b
a
(c)光全反射示意图
2、光纤结构及传光原理
分析光纤导光原理,除了应用斯乃尔定理外还须结合光纤结构来说明。光纤呈圆柱形,它由玻璃纤维芯和玻璃包层两个同心圆柱的双层结构组成。
2R
2r
n2
n1
n0
光纤结构
n2
n1
纤芯
包层
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。
3、光纤的数值孔径NA
θj
θc
ac
A
B
C
D
E
F
G
K
O
O
n0
n2
n1
光纤导光示意图
光纤的孔径角:当光照射光纤的端面时,光纤端面的临界入射角 2θc。表示光纤能接收光的范围。为圆锥角
sinθc定义为光纤的数值孔径,用NA (Numerical Aperture)表示。表示光纤的聚光能力。
N0sinθc=n1sinθj n1sinac=n2sin90 0
因θj=90º-ac ,得:
在光纤端面,无论发射功率有多大,只有在2θc张角之内的入射角才能被光纤接收传播。NA越大,光纤的聚光能力越强,光纤与光源之间的耦合越容易。但NA越大,光信号的畸形越大。
一般要求:≤NA<
sinθc
=
4、色散、传播损耗
色散:光脉冲信号在光纤的输出端被展宽,出现明显失真,这种现象称为色散。
材料色散:纤芯的折射率随波长的变化而引起。
模间色散:各种模式不同的传播速度引起(多模光纤)。
波导色散:光纤的传输常数与波长间的非线性引起。
光信号在光纤中的传播不可避免地存在着损耗。
光纤传输损耗主要有材料吸收损耗(因材料密度及浓度不均匀引起)、散射损耗(因光纤拉制时粗细不均匀引起)、光波导弯曲损耗(因光纤在使用中可能发生弯曲引起)。
传播损耗
光纤传感器的特点:
极高的灵敏度和精度
抗电磁干扰
高绝缘强度
耐腐蚀
集传感与传输于一体
能与数字通信系统兼容等
光纤传感器受到世界各国的广泛重视。光纤传感器已用于位移、振动、转动、压力、速度、加速