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第九章 光纤传感器 第一节 光纤传感器（Fiber Optical sensors）基础 光纤有很多的优点，用它制成的光纤传感器（FOS）与常规传感器相比也有很多特点：抗电磁干扰能力强、高灵敏度 、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单、以及与光纤传输线路相容等。光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。??? 一.光纤的结构 光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。光纤的结构如图9.1所示，它由折射率n1较大(光密介质)的纤芯，和折射率n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。  图9.2 光在两介质界面上的折射和反射 二.传光原理 光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。根据几何光学原理，当光线以较小的入射角θ1由光密介质1射向光疏介质2(即n1＞n2)时(见图9.2)，则一部分入射光将以折射角θ2折射入介质2，其余部分仍以θ1反射回介质1。 依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律，有 ?? ?????????????????????(9-1) 当θ1角逐渐增大，直至θ1=θc时，透射入介质2的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播(θ2=90°)。对应于θ2=90°时的入射角θ1称为临界角θc；由式(9-1)则有 ?????????????????????????(9-2) ? 由图(9.1)和图(9.2)可见，当θ1＞θc时，光线将不再折射入介质2，而在介质(纤芯)内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。这就是光纤传光的工作基础。 ??? 同理，由图9.1和Snell定律可导出光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角)为 ?????????????????????????????????? ? (9-3) 式中NA——定义为“数值孔径”。它是衡量光纤集光性能的主要参数。它表示：无论光源发射功率多大，只有2θc张角内的光，才能被光纤接收、传播(全反射)；NA愈大，光纤的集光能力愈强。产品光纤通常不给出折射率，而只给出NA。石英光纤的NA=0.2～0.4。 三.光纤的种类 ??? 光纤按纤芯和包层材料性质分类，有玻璃光纤和塑料光纤两类；按折射率分有阶跃型和梯度型二种，如图9.3所示。阶跃型光纤纤芯的折射率不随半径而变；但在纤芯与包层界面处折射率有突变。梯度型光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致。因此，这类光纤有聚焦作用；光线传播的轨迹近似于正弦波，如图9.4所示。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二类。???? ?? 四.光纤的特性 信号通过光纤时的损耗和色散是光纤的主要特性(详细情况参见参考资料1）。 五.光纤传感器分类 光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器(Function Fiber Optic Sensor)，又称FF型光纤传感器；另一类是非功能传感器(Non-Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传感器。前者是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器；后者是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器。表9-1列出了常用的光纤传感器分类及简要工作原理。 六.光纤传感器的发展趋势 光纤传感器 具有很多的优点，是对以电为基础的传统传感器的革命性变革，发展前景是极其光明的。但是，目前光纤传感器的成本较高,在这方面仍面临着传统传感器的挑战，存在着与传统传感器和其它新型传感器的竞争问题。为此，有必要说明光纤传感器的可能发展趋势： ① 当前应以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象。 ② 集成化光纤传感器。 ③ 多功能全光纤控制系统。 ④ 充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测系统。 ⑤ 开辟新领域。 二.热辐射光纤温度传感器 热辐射光纤温度传感器是利用光纤内产生的热辐射来传感温度的一种器件。它是以光纤纤芯中的热点本身所产生的黑体辐射现象为基础。这种传感器非常类似于传统的高温计，只不过这种装置不是探测来自炽热的不透明的物体表面的辐射，而是把光纤本身作为一个待测温度的黑体腔。利用这种方法可确定光纤上任何位置热点的温度。由于它只探测热辐射，故无需任何光源。这种传感器可以用来监视一些大型电