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传感器光纤传感器
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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
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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
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2）斯乃尔定律（Snell‘s Law)——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
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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
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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
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光纤端面入射角θ0与包层中折射角 2之间关系
n0sinθ0=n1sinθ1
n1sin  1=n2sin  2
sinθ0=(n1/n0)sinθ1
sin  1 =(n2/n1)sin 2
2）数值孔径NA——光纤集光性能参数
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当光线发生全反射时，
 2 >90º，则θ0<θc=arc sin NA
当 2 < 90º时，θ0>θc=arcsin NA，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=arc sin NA
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：
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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°（sin 10° ＝）
石英光纤的NA＝～
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3）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。
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