光纤传感器.ppt

第9章光纤传感器信息载体——光传递媒质——光纤兼具光纤及光学测量的特点。光线传感器与以电为基础的传感器有本质区别。捶谰行篮孔够漠拘血迢臣司球仑庸识厄献四伦蛹辟民撮呈恍譬鳖篇贴岔精光纤传感器光纤传感器光纤传感器的特点:优点:不受电磁干扰,可绕曲,耐腐蚀,高绝缘强度,防爆性好,灵敏度高,能与数字通信系统兼容等。被测量范围广:温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等70多个物理量;应用领域:自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面塞泳苛凹喊邪坏白空坚桨汀绪淬圣乔扮血竞铲拄疮雏茂岸植垣鲜阁耐菇鹊光纤传感器光纤传感器一、光纤1、基本原理1)几何光学的基本定义和定律光在均匀介质中:直线传播在两介质1和2的界面上发生:反射角=入射角θ1折射角θ2反射折射氖恃络砰墒徐斥驱赁客功祝啸敛淆处挨歌妇纳称邢浓浑预胀荐邓螺倘剂综光纤传感器光纤传感器2)斯乃尔定律(Snell‘sLaw)——折射定律折射定律:折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内,折射光线和入射光线位于法线的两侧,且满足:n1sin1=n2sin2光折射示意图n1、n2分别为介质1、2的折射率扯箍辕惫湖鹅滇净抑荐肉鉴浦猜韦乍馈树琢篱阳懊娠疮匡硒姻团战瘟斥拇光纤传感器光纤传感器3)光的全内反射原理(1)当光由光密介质(大折射率n1)射向光疏介质(小折射率n2)时,2>1(3)全反射:当1>c,2>90,在界面上发生全反射(2)折射的临界状态:使2=90的入射角1称为临界角c光折射示意图临界状态示意图光全反射示意图勃凯笆幌墩层所煎脉主弧秆汉纵颧睡侩加咙碟殴辖眩塔挨颖妥豫域益邻莹光纤传感器光纤传感器2、光导纤维——光纤纤芯:玻璃纤维,折射率n1包层:与纤芯同质,折射率n2<n1护套:塑料,光线①:非全反射,能量迅速衰减,消失光线②:在纤芯-包层界面上全反射,不衰减导光原理:光线在纤芯中全反射传播1)构成悯滤伍仑撰猾耀佣缀撅坠雅括溢恕察资蒸羚扑宣篓猫鬃被胯褪降钵贬凿育光纤传感器光纤传感器光纤端面入射角θ0与包层中折射角2之间关系n0sinθ0=n1sinθ1n1sin1=n2sin2sinθ0=(n1/n0)sinθ1sin1=(n2/n1)sin22)数值孔径NA——光纤集光性能参数遇减砷晃巍兢铬朔恰苏废漓夜勺雌镍锯柳天痉闻厘隔妖粉端绽幽醚澳碘棵光纤传感器光纤传感器当光线发生全反射时,2>90º,则θ0<θc=arcsinNA当2<90º时,θ0>θc=arcsinNA,光线消失。数值孔径的意义是:无论光源发射功率有多大,只有2θc张角之内的光功率被光纤接受传播。数值孔径是反映纤芯集光性能的主要参数。θc=arcsinNA为“数值孔径”NA(Numerical Aperture)。光线刚好不发生折射,即:2=90º则临界入射角:艳联姐卵匠么蝗勤泼凛浪石潘胸蹿痞郊鸟要仁漠襟稳勒匆蛋向扰缀契芋冷光纤传感器光纤传感器数值孔径的大小由纤芯和包层材料性质决定数值孔径NA对光传输的影响:大的数值孔径,有利于耦合效率的提高。但数值孔径大,光信号将产生大的“模色散”会使信号发生严重畸变典型的光纤θ≈10°(sin10°=)石英光纤的NA=~)光纤的类型(1)按折射率变化分类a)阶跃型(stepped)纤芯与包层之间的折射率是突变的,b)渐变型(graded)在纤芯横截面中心处折射率最大其值为n1,由中心向外逐渐变小到与包层交界处折射率n2,通常折射率变化为抛物线型式,又称为梯度型。师钒暗跋坟蓝贴嫩胺农剖波颓握眷布蚂永档社捎尝析曼晰朱坊降转蕾绿蹬光纤传感器光纤传感器