传感器光纤式传感器.ppt

传感器光纤式传感器
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第九章 光纤式传感器
光导纤维（简称光纤）是一种用于传输光频电磁波的介质光波导。
光纤式传感器
是伴随光纤通讯和光电技术发展起来的一种新型传感器。
具有灵敏度高、响应速度快、动态范围大、防电磁干扰、超高电绝缘、防燃防爆等优点。可以测量力、温度、位移、角度、加速度、电流等物理量。
第一节 光纤式传感器原理
第二节 光纤式传感器应用
光波导——能将光能量限制并维持在一特定窄区域内，并使光沿此空间轴向传输的光通道。
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光纤式传感器原理
光纤的结构
由可以导光的透明介质纤维组成，具有圆形截面
一根实用化的光纤由多层透明介质组成，包括：
折射率较高的纤芯，用直径为微米级的圆柱形石英玻璃制成
折射率较低的包层
外层的涂敷层
折射率n1=
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光纤式传感器原理
光纤的传光原理
根据光学原理，在空间是直线传播的，而在光纤中，光的传输却能限制在光纤之中，并随光纤的弯曲而走弯曲的路线，能够传递到很远的距离（如同导线中电流能在导线上传输一样的性能）。
由于光具有从光密物质射向光疏物质时，在一定的入射角范围内（即大于临界角）光线能产生全反射，即反射光不再离开光密介质。而光就能在光密介质中通过在光密介质和光疏介质的界面上产生多次全反射，而以锯齿形的路线在光密介质中传播。
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光纤式传感器原理
光的全反射现象
根据几何光学原理，当光线以较小的入射角θ1由光密介质1射向光疏介质2（即介质的折射率n1＞n2）时，则一部分入射光将以折射角θ2折射入介质2，其余部分仍以θ1反射回介质1。
当θ1角逐渐增大，直至θ1=θc时，透射入介质2的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播(θ2=90°)。对应于θ2=90°时的入射角θ1称为临界角θc 。
当θ1＞θc时，光线将不再折射入介质2，而在介质内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。
分界面
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光纤式传感器原理
光在光纤中的全反射
光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角)为
式中，NA——光纤的数值孔径
数值孔径是衡量光纤集光性能的主要参数。它表示：无论光源发射功率多大，只有2θc张角内的光，才能被光纤接收、传播(全反射)。NA越大，光纤的集光能力就越强，但传输时信号畸变也越大，影响带宽。产品中通常不给出折射率，而只给出NA。石英光纤的NA = ~。
如果入射角过大，光线进入纤芯后将在包层中消失。
导波（导模）
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光纤式传感器原理
光在光纤中的传播路径
光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次，该光线称为子午光线。包含子午光线和光纤轴线的固定平面称为子午面。
光线在传播过程中不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交，该光线称为空间光线（斜光线）。
(a) 子午光线
(b) 空间光线
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光纤式传感器原理
光纤的分类
按纤芯的材料不同，有：玻璃光纤（主流）、塑料光纤
按光纤截面上折射率分布不同，有：阶跃型、渐变型
阶跃型：纤芯的折射率n1是常数
渐变型：纤芯的折射率不是常数，而是随着半径的增加而递减直到等于包层的折射率n2
按光纤传输的模式数目，分为：单模光纤、多模光纤
n1
n2
渐变型光纤
抛物线
正弦曲线
费马原理：光线的行进轨迹是从低折射率区弯向高折射率区
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光纤式传感器原理
光纤的传输模式
光以某一角度射入光纤端面，并在纤芯-包层交界面产生全反射，即为光的一个传输模式。
单模光纤：只能传输一种模式（即基模）的光纤
多模光纤：允许存在多个传输模式的光纤
光在传输过程中所呈现的空间分布形式（即电磁波场场形或光场场形）。不同模式的光会发生交叠和耦合。
当光纤的结构参数一定时，由入射光的角度和频率决定。
高次模 基模 低次模
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光纤式传感器原理
单模光纤（SMF）
只能传输基模（即沿纤芯轴线传播的模）
纤芯直径D为8～10μm
当光纤满足归一化频率V < Vc = ，只能承载基模，而高次模截止
对于固定芯径D，要实现单模传输，光的波长λ必须大于截止波长λc，否则将出现多模传输
NA——数值孔径
单模传输条件
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