第4章 光纤传感器.ppt

第4章 光纤传感器 定义：光纤传感器是利用被测量对光纤内传输的光进行某种形式的调制，使传输光的强度、相位、频率或偏振状态等特性发生改变，再对被调制过的光信号进行检测，从而测定被测量的一种新型传感器。 比较：以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图(b)。 第4章 光纤传感器 光纤传感器具有如下优点: 与其他传感器相比,它具有很高的灵敏度。 频带宽，动态范围大。 (3)几何形状具有多方面的适应性，可根据实际需要做成各种形状。 (4)可以用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器,这些物理量包括声场、磁场、压力、温度、加速度、转动(陀螺)、位移、液位、流量、电流、辐射等等。 (5)便于与计算机和光纤传输系统相连,易于实现系统的遥测和控制。 (6)可用于高温、高压、电气噪声、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境。 (7)结构简单、体积小、重量轻、耗能少。 第4章 光纤传感器 4.1 光导纤维(光纤) 4.2 强度型(振幅型)光纤传感器 4.3 干涉型光纤传感器 光纤传感器的其他应用 复习题 4.1 光导纤维(光纤) 4.1.1 光纤的结构 中心圆柱体,称为纤芯,由某种类型的玻璃或塑料制成。环绕纤芯的是一层圆柱形套层,称为包层,由特性与纤芯略有不同的玻璃或塑料制成。纤芯的折射率略大于包层的折射率。最外面通常由一层护套包覆。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的光学性能,而纤芯的强度则由护套来维持。护套通常由塑料制成。 数值孔径的意义是无论光源发射功率有多大,只有2θ张角之内的光功率被光纤接受传播。 NA越大，θ越大，一般希望NA越大越好，这有利于耦合效率的提高。 但数值孔径大, θ越大，光线在传输的过程中反射的次数越多，光子轴向的视在光速就越慢。虽然以不同角度入射芯子的许多光线都能传播到另一端，但经光纤传输到出射口的波形输出与入射口的波形大不相同。光信号将产生大的“模色散”,入射光能分布在许多个模式中,各模式的速度不同,导致各个能量分量到达光纤远端的时间不同, θ越大，离散越大，光信号畸变越严重，所以应该适当选择θ。典型的光纤θ≈10°。 2. 传播模式 光纤传输光波，可分解为沿纵向和横向传输两种平面波成分。横向波在纤芯和包层界面上产生全反射。当它在横向往返依次的相位变化为2π的整数倍时，形成驻波。形成驻波的光线组称为模。模是离散存在的。一定材质一定尺寸的光纤只能传输特定模数的光波。每一个允许传播的波称为模式。每个波具有不同的离散的振幅和速度。 在阶跃型折射光纤中常采用“V值”表述光在阶跃型折射率光纤中的传播特性。V值是一个能用来表示或计算阶跃折射率光纤的传播模式数量的参数,可用数学式表示为 式中,a为纤芯半径,λ0为入射光在真空中的波长(真空中的光波长近似等于光在空气中的波长)。光纤V值越大,则光纤所能拥有的,即允许传输的模式(不同的离散波)数越多。当V值低于2.404时,只允许一个波或模式在光纤中传输。即圆柱波导的“单模条件”是 在光导纤维中传播模式很多对信息传输是不利的。因为同一光信号采取很多模式传播,就会使这一光信号分为不同时间到达接收端的多个小信号,从而导致合成信号的畸变。在信息传输中一般希望模式数量越少越好。希望V小,纤芯直径d=2a不能太大,一般为几个微米,不能超过几十微米。另外,n1与n2之差很小(例如,一般纤芯折射率n1可能是1.46,而包层折射率n2可能是1.44)。一般要求n2与n1之差不大于1.4%~6.2%。 3.传播损耗 光在光纤的传播过程中由于材料的吸收、散射和弯曲处的辐射损耗等的影响,不可避免地要有损耗。通常用衰减率A表示传播损耗。 图4.4中,表示出以给定尺寸的半径弯曲所引起的弯曲损耗机理的光线图。假定在光纤的平直部分有一根光线正向右传播,在界面上的掠射角θ小于临界角θc,但在弯曲部分,光线则可能以大于θc的角度θ′和纤芯-包层界面相交,这样光线将部分地由纤芯传播出去并进入包层中。弯曲损耗通常是不希望有的,也是有害的,但在光纤传感器中则可利用弯曲（在光纤传感器中称为微弯）损耗来作为换能机理。 4.1.4 光纤的类型 1.按折射率变化类型分类 阶跃折射率光纤:图4.5(a)表示阶跃折射率光纤的折