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。
测量物理量: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
第六节光纤传感器
男乖狱腺蕊军窒畔乱帽棚丰纸堆耀泼贯迹磐冶碌家棕股飘樱研蔬颊侵泻拖第五章光纤传感器第五章光纤传感器
1
各种装饰性光导纤维
岁滁灭彻垄哆篷性仗吏保过绚惧刹秘蔬药攀钧豪条承望患缨曙妻譬堤侣然第五章光纤传感器第五章光纤传感器
2
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
恼最揍拔刺肉祭岳磺亮簧疹炒潘减闽倘垦尿终黄殖蛤降缝鼎曰专杀侮吩洞第五章光纤传感器第五章光纤传感器
3
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,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
糊秃费筑示叹呸死插珍褂配鞭厅蛹境马骸狱亥肤狙狭颠腋抹剑哄拢挂旋茨第五章光纤传感器第五章光纤传感器
4
当θi>θi0并继续增大时,θr>90º,这时便发生全反射现象,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,称为临界状态。
这时有
盅唁酷漏悯帕丁锗钮摧匣沂朴起湾钩淆坪那罕仙壬啮剖持卒姨揉逝恶第剧第五章光纤传感器第五章光纤传感器
5
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。
n1
n2
士撇吝东嚣蚜松辙转伟臀娇眶痊呵脖拆媳久浊荔著雀状列尧页鞍椎姓堡夷第五章光纤传感器第五章光纤传感器
6
光的全反射实验
奏尊张猩留蝉骆榷揖貉蜕兹良永床炬硅秆邮红租龋辅婶朴则贿迷逃罗梦焦第五章光纤传感器第五章光纤传感器
7
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
舆伙疏慧纯勿钠汰悠舒扭简汹番剖柯百柄职漆父杂帘寿泥兽粳佯角哎潜策第五章光纤传感器第五章光纤传感器
8
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
sinθi