第9章光纤传感器.ppt

*第9章光纤传感器*光纤传感器(FOS:FiberOpticalSensor)是20世纪70年代中期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。概论光纤传感器的特点:①电绝缘性能好;②抗电磁干扰能力强;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。*,形状一般为圆柱形,材料是高纯度的石英玻璃为主,掺少量杂质锗、硼、磷等。光纤的结构如图所示。纤芯的折射率比包层的折射率稍大,当满足一定条件时,光就被“束缚”在光纤里面传播。**如图,根据几何光学理论,当光线以某一较小的入射角,由折射率为n1的光密物质射向折射率为n2的光疏物质(即n1>n2)时,则一部分入射光以折射角折射入光疏物质,其余部分以角度反射回光密物质,根据折射定律(斯涅尔定律),光折射和反射之间的关系为:当光线的入射角增大到某一角度时,透射入光疏物质的折射光则沿界面传播,即=90°,称此时的入射角为临界角。那么,由斯涅尔定律得临界角仅与介质的折射率的比值有关*当入射角>时,光线不会透过其界面,而全部反射到光密物质内部,也就是说光被全反射。根据这个原理,如图所示,只要使光线射入光纤端面的光与光轴的夹角小于一定值,则入射到光纤纤芯和包层界面的角就满足小于临界角的条件,光线就射不出光纤的纤芯。光线在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向前传播,光就能从光纤的一端以光速传播到另一端,这就是光纤传光的基本原理。光纤的“数值孔径”NA,数值孔径取决于纤芯和包层的折射率,它们的差值越大,光线的集光能力越强;只有张角内的光才能被光纤接受、传播(全反射)。*)高纯度石英(SiO2)玻璃纤维这种材料的光损耗比较小,在波长时, dB/km。锗硅光纤,包层用硼硅材料, dB/km。2)多组分玻璃光纤用常规玻璃制成,损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤,在波长时, dB/km。3)塑料光纤用人工合成导光塑料制成,其损耗较大,当时,达到100~200 dB/km。但其重量轻,成本低,柔软性好,适用于短距离导光。*,如图所示。在纤芯和包层的界面上,纤芯的折射率不随半径而变,但在纤芯与包层界面处折射率有突变的称为阶跃型;而光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线由大渐小,至界面处与包层折射率一致的称为渐变型。*,光纤可分为单模光纤和多模光纤。什么是光纤的传播模式?光纤传输的光波,可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播的两种平面波成分。后者在纤芯和包层的界面上会产生全反射。当它在横切向往返一次的相位变化为的整倍数时,将形成驻波。形成驻波的光线组称为“模”;它是离散存在的,亦即一定纤芯和材料的光纤只能传输特定模数的光。*单模光纤纤芯直径仅有几微米,接近波长。其折射率分布均为阶跃型。单模光纤原则上只能传送一种模数的光,常用于光纤传感器。这类光纤传输性能好,频带很宽,具有较好的线性度;但因芯小,难以制造和耦合。