光纤传感器PPT学习教案.pptx

会计学
1
光纤传感器
第12章   光纤传感器
光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角
度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；
光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时，光线全部反射。
只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。
（1）光纤的结构和传输原理 ②光纤的传光原理：
第1页/共22页
第12章   光纤传感器
为保证全反射，必须满足全反射条件（即θ＜θc）实现全反射的临界入射角为：
空气中
可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（N1、N2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。
第2页/共22页
第12章   光纤传感器
（2）光纤的性能（几个重要参数） ①数值孔径（NA）
临界入射角θc的正弦函数定义为光纤的数值孔径.
空气中：
第3页/共22页
第12章   光纤传感器
NA意义讨论：
NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2θc张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。
一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。
产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA，石英光纤的数值孔径一般为：
第4页/共22页
第12章   光纤传感器
光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。光波之间的干涉产生的强度分布也不同。
模式值定义为：
式中：
α为纤芯半径；
为入射波长。
（2）光纤的性能（几个重要参数） ②光纤模式（V）
第5页/共22页
第12章   光纤传感器
②光纤模式
第6页/共22页
第12章   光纤传感器
模式讨论：
模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号分不同时间到达多个信号，导致合成信号畸变。
模式值V小，就是α值小，即纤芯直径小，只能传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。
除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。
第7页/共22页
第12章   光纤传感器
光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲
处的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗。
用衰减率A表示：
I1、I2：两接收光纤的光强
在一根衰减率为10dB/Km的光纤中，表示当光纤传输1Km后，光强下降到入射时的1/10。
（2）光纤的性能（几个重要参数）  ③传播损耗（A）
第8页/共22页
第12章   光纤传感器
(3) 光纤传感器的基本测量原理
(1) 物性型光纤传感器原理      物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。
第9页/共22页