9-第6章光纤传感器要点.ppt

当光线以较小的入射角φ1（ φ1 φ c）由光蜜媒质（折射率为n1）射入光疏媒质（折射率为n2）时，折射角φ2满足斯乃尔法则： 模的定义：在光纤内传播的光波，可以分解为沿轴向传播的平面波和沿剖面传播的平面波，沿剖面传播的平面波在纤芯和包层的界面上发生全发射。如果此波在一个往复中相位变化为2∏的整数倍，才会形成驻波。只有能形成驻波的那些以特定入射角入射的光才能被光纤传播，这些光波称为模。 第六章 光纤传感器 光导纤维传感器（简称光纤传感器）是20世纪七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。 与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点： 1.不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火； 2.可根据需要做成各种形状，可以弯曲； 3.可以用于高温、高压,绝缘性好,耐腐蚀. 基本采用石英玻璃， 主要由三部分组成 中心——纤芯； 外层——包层； 护套——尼龙料。 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质， 纤芯折射率n1略大于包层折射率n2（ n1 ＞ n2 ）。 6.1 光纤的结构与传光原理 6.1.1 光纤的结构 100 ~200μm 包层 玻璃纤维 尼龙外层 涂敷层(塑料) 纤芯（玻璃， 石英，塑料） 外层直径1mm 光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时，光线全部反射。 只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。 6.1.2 光纤的传光原理 图6-4 光纤导光示意图 θ1 θ0 φ1 A B C n0 n2 n1 d D 2θ0 由斯奈尔（Snell）定律： 就能产生全反射。可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（n1、n2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。 若满足 即 入射角的最大值 为： 将sinθ0定义为光导纤维的数值孔径,用NA表示,则 NA意义讨论： NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2θc张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。 产品光纤不给出折射率n，只给数值孔径NA，一般为0.14～0.5的数值。 6.1.3 光纤的种类 光纤按纤芯和包层材料的性质分类，有石英光纤、玻璃光纤（钠玻璃SiO2-Na2O-CaO）和塑料光纤三种类；按折射率分有阶跃型和梯度型二种 。 光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模式来分，可分为多模光纤和单模光纤两类。多模光纤多用于非功能型（NF）光纤传感器；单模光纤多用于功能型（FF）光纤传感器。 6.2 光纤传感器的结构原理及分类 6.2.1 光纤传感器结构原理 光纤传感器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。 由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。 光是一种电磁波： 式中 A——电场E的振幅矢量； ω——光波的振动频率； φ——光相位； t——光的传播时间。 可见，只要使光的强度、偏振态（矢量A的方向）、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，即可获得所需要的被测量的信息。 9.2.2 光纤传感器的类型 光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器，又称FF型光纤传感器；另一类是非功能型传感器又称NF型光纤传感器。 功能型光纤传感器 这类传感器利用光纤 本身对外界被测对象 具有敏感能力和检测 功能，光纤不仅起到 传光作用，而且在被 测对象作用下，如光强、相位、偏振态等 光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。 非功能型光纤传感器 传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的 媒介，待测对象的调 制功能是由其它光电 转换元件实现的，光 纤的状态是不连续的， 光纤只起传光作用。 6.3 光纤传感器的应用 例1 光纤温度开关 1 2 3 4 水银柱式光纤温度开关 1 浸液；2 自聚焦透镜；3 光纤；4 水银 热双金属式光纤温度开关 1 遮光板； 2 双金属片 接收 光源 1 2 例2 遮光式光纤温度计 当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。 例3 透射型半导体光纤温度传感器 半导体的吸收光谱与半导体材料的禁带宽度Eg有关，而Eg却随温度的不同而不同。 由于半导