光纤传感器6.ppt

发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。
上海东方明珠
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一、光导纤维导光的基本原理
光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间,可以用“光线”即几何光学的方法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。为此, 采用几何光学的方法来分析。
1、斯乃尔定理（Snell's Law）
当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图，其折射角大于入射角，即n1＞n2时，θr＞θi。
n1
n2
θr
θi
光的折射示意图
可见，入射角θi增大时，折射角θr也随之增大，且始终θr＞θi。
n1、n2、θr、θi之间的数学关系为
n1sinθi=n2sinθr
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当θi＞θi0并继续增大时，θr＞90º，这时便发生全反射现象，如图，其出射光不再折射而全部反射回来。
式中：θi0——临界角
θi0=arcsin(n2/n1)
sinθi0=n2/n1
sinθr＝sin90º＝1
n1
n2
θr
θi
光全反射示意图
n1
n2
θr
θi
临界状态示意图
当θr=90º时，θi仍＜90º，此时，出射光线沿界面传播如图，称为临界状态。这时有
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2、光纤结构
光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯(纤芯)和玻璃包皮(包层)两个同心圆柱的双层结构以及护套组成。
纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤心折射率n1比包层折射率n2稍大些．两层之间形成良好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。
光纤结构
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光纤的分类：▲▲
（1）按折射率变化分：阶跃型光纤、渐变型光纤
（2）按传播模式分：单模光纤、多模光纤
（3）按传播用途分：闪烁光纤、被覆光纤、光谱光纤、图像传输光纤、保偏光纤。
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3、光纤导光原理及数值孔径NA
入射光线AB与纤维轴线OO相交角为θi，入射后折射(折射角为θj)至纤芯与包层界面C点，与C点界面法线DE成θk角，并由界面折射至包层，CK与DE夹角为θr。则
n0sinθi=n1sinθj n1sinθk=n2sinθr
sinθi=(n1/n0)sinθj
sinθk=(n2/n1)sinθr
因θj=90º－θk 所以
θj
θi
θk
θr
A
B
C
D
E
F
G
K
O
O
n0
n2
n1
光纤导光示意图
n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般为空气，故n０≈1，nl为纤芯折射率，n2为包层折射率。当n０=1时
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上式sinθi0为“数值孔径” NA(Numerical　Aperture)。由于n1与n2相差较小，即n1+n2≈2n1,故又可因式分解为
Δ=(n1-n2)/n1称为相对折射率差
当θr=90º的临界状态时，θi=θi0
当θr<90º时，sinθi>NA，θi>arcsin NA，光线消失。
结论：arcsinNA是一临界角,凡入射角θi＞arcsinNA的光线进入光纤都不能传播而在包层消失；相反,只有入射角θi＜arcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播。
当θr=90º时
当θr>90º时，光线发生全反射，则
sinθi0=NA θi0=arcsin NA
θi<θi0=arcsin NA
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4、光纤的主要参数
（1）传播损耗
光纤纤芯材料和包层物质的吸收、散射、畸变，以及光纤弯曲处的辐射损耗等, 它表示光强度相对衰减与光纤长度的关系。
单位：每千米分贝（dB/km）
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（2）光纤模式：是光波沿光纤传播的途径和方式。
阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量可简单的表示为：
（3）色散：在光纤中产生的脉冲展宽现象
表征光纤传输特性的一个重要参数，在光纤通讯中反映传输带宽，影响通讯信息的容量和质量。光纤色散的种类：▲▲
①多模色散
②材料色散和波导结构色散
（4）光纤强度：主要取决于材料纯度、结构状态、光纤包层被拉制后外套表面的擦伤和其他缺陷的程度，以及包层表面在缠绕、成缆和使用期间得到的保护程度。
①单模光纤：传输性能好，制成的传感器线性好、灵敏度高
②多模光纤：光纤性能差，带宽较窄，制造容易，连接耦合方便
第