3.10 光纤传感器.ppt

光纤的结构和传光原理 （1）光纤的结构 光导纤维，简称光纤，是一种用于传输光信息的多层介质结构的对称圆柱体，其基本结构包括纤芯、包层和涂敷层等，它的结构如图3.99所示。 光纤的结构和传光原理 2）光纤的传光原理 根据几何光学理论，当光线以某一较小的入射角θl，由折射率较大的光密物质射向折射率较小的光疏物质时，则一部分入射光以折射角θ2折射入光疏物质，其余部分以θl角度反射回光密物质，根据光的折射定律，光折射和反射之间关系为： 光纤的结构和传光原理 光纤的结构和传光原理 只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤的光才能在光纤内传播，形成驻波的光线组称为模；它们是离散存在的，即某一种光纤只能传输特定模数的光。 一般用麦克斯韦方程导出的归一化频率f作为确定光纤传输模数的参数。f的值可由下式确定： 光纤的结构和传光原理 （3）光纤的分类 1）根据光纤的折射率的分布函数分类 根据光纤纤芯折射率分布，主要有阶跃型（Step Index Fiber）和梯度型（Graded Index Fiber）两大类。 光纤的结构和传光原理 按传输模数分类 可以分为单模光纤和多模光纤两大类。 单模光纤通常是指阶跃型光纤中纤芯直径很小，光纤传输模数很少，原则上只能传送一种模数的光纤，常用于光纤传感器。单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长。这类光纤传输性能好，频带很宽，具有较好的线性。但因芯小，较难以制造和耦合。 光纤的结构和传光原理 按材料分类 高纯度石英（Si02）玻璃纤维。这种材料的光损耗比较小，在λ＝1.2μm的波长处，最低损耗约为0.47dB/km。包层采用硼硅材料的锗硅光纤，其损耗约0.5dB/km。 多组分玻璃光纤。用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠(Sodium borosilicate)玻璃光纤在λ=0.84μm时，最低损耗为3.4dB/km。 塑料光纤。用人工合成导光塑料制成，损耗较大。当λ＝0.63μm时，这种光纤的损耗达到100～200dB/km，但由于此类光纤重量轻、成本低、柔软性好，在短距离导光的场合还是适用的 光纤的结构和传光原理 按用途分类 通迅光纤。用于通迅系统，大多使用光缆。 非通迅光纤。这类光纤有低双折射光纤，高双折射光纤，涂层光纤，液芯光纤和多模梯度光纤等几类。 光纤的结构和传光原理 按制作工艺分类 应用化学气相沉积法(CVD)或改进化学气相沉积法(MCVD)的工艺制作高纯度石英玻璃光纤。 应用双坩埚法或三坩埚法工艺制作多组分玻璃光纤。 光纤传感器基本原理及类型 光纤传感器基本原理 光纤传感器的基本原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。 由于光纤既是一种电光材料，又是一种磁光材料，即同电和磁存在着某些相互作用的效应，故可以说光纤兼具“传”和“感”的两种功能。 光纤传感器基本原理及类型 光纤传感器的类型 按照光纤在传感器中的作用，光纤传感器可以分为两大类：一类是传光型，也称非功能型光纤传感器（Non Functional Fiber），简称NFF型传感器；另一类是传感型，或称功能型光纤传感器（Functional Fiber），简称FF型传感器。前者多数使用多模光纤，后者常使用单模光纤。 光纤传感器基本原理及类型 光纤传感器具有以下主要的特点： 1）光纤传感器不受电磁场的干扰。当光信息在光纤中传输时，不会与电磁场产生作用，所以信息在传输过程中抗电磁干扰能力很强，特别适用于电力系统。 2）光纤传感器的绝缘性能高。光纤是不导电的非金属材料，其外层的涂敷材料硅胶也不导电，因而光纤绝缘性能高，很方便测量带高压设备的各种参量。 3）光纤传感器放爆性能好，体积很小、重量轻、耐高压、耐腐蚀。在光纤内部传输的信号能量很小，不会产生火花、高温、漏电等不安全因素，适用于恶劣条件下的非接触式、非破坏性、远距离测量。 光纤传感器基本原理及类型 4）光纤传感器信息传输量大、导光性能好、灵敏度高，对传输距离较短的光纤传感器来说，其传输损耗可忽略不计。 5）光纤细而柔软，可以制成非常小巧的光纤传感器，广泛地应用于位移、温度、压力、速度、加速度、液位、成分、流量等物理量及其他特殊对象和场合的参数测量中。 光纤传感器的调制 光纤对许多外界参数又一定的效应，光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应实现对外界被测参数的“传”和“感”的功能。从前面光纤传感器结构及工作原理的分析，可知光纤传感器的核心就是光被外界参数的调制原理，而调制的原理就能代表光纤传感器的机理。 光纤传感器的调制 光纤传感器的调制 强度调制型光纤传感器工作原