中南大学传感与检测ppt ch12-光电光纤与红外传感器.ppt

12.3 光纤传感器 12.3.1 光纤与光纤传感器概述 光纤：光通信系统中远距离传输光波信号的载体。 光纤传感器(Fiber Optical Sensor)是基于光导纤维的传感器。 传感机理：在传光的过程中，光纤易受外界因素如压力、温度、电磁场等变化影响，使光纤中光波参数如光强、相位、频率等变化。测出光波参数的变化，可得相应的被测量。 光纤中传播的光可用方程描述为：E=E0cos(?t+?) 式中，E0为光波振幅； ?为光波频率；?为初相角。E中含5个参数信息—光强E02、频率? 、波长?=2?c/?(c为光速)、相位（?+?）和偏振态。 被测量在传感头（通常为调制器）内与光相互作用，改变上述5个参数之一，如改变光强，称强度调制光纤传感器，依次类推，有5种调制型光纤传感器。 优点（相对其他传感器）：灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、电绝缘性好和光路可弯曲等。 12.3.2 光纤的结构与种类 1）光纤的结构 如图所示，光纤通常由纤芯、包层及外套组成。纤芯处于光纤中心部位，由玻璃、石英、塑料等材料制成，为圆柱体，直径约5～150 μm。围绕着纤芯的一层叫包层，材料也是玻璃、塑料等材料，但其折射率小于纤芯。纤芯和包层构成一个同心圆双层结构，能使光功率封闭在里面传输。外表面的外套起保护支撑光纤的作用。 正常情况下，大部分光能沿纤芯传输，在包层中也有沿径向衰减的光波存在。因此，纤芯和包层材料都必须是低损耗的。 12.3 光纤传感器 12.3.2 光纤的结构与种类 按材料分类：多组分光纤（材料多成分）、石英系列光纤、液芯光纤和塑料光纤。 按纤芯折射率分布：阶跃型（SIF）、渐变型（GIF）。 1）阶跃型光纤 纤芯和包层折射率如图a所示。中心光线沿光纤轴线传播，通过轴线的子午光线(只在一个包含光纤轴线的平面内不断反射前进)呈锯齿型轨迹。其带宽窄，适于小容量、短距离通信。 2）渐变型光纤（自聚焦光纤） 纤芯折射率渐变如图b所示。传播中光 自动从折射率小的界面处向中心会聚， 其轨迹类似正弦波曲线。其带宽较宽， 适于中容量、中距离通信。 12.3 光纤传感器 12.3.2 光纤的结构与种类 按传输模式数不同有单模(SMF)和多模(MMF)光纤。 在光纤受光角内，以某一角度射入光纤并在纤芯与包层交界 面上全反射传向光纤另一端的光线，称光的一个传输模式； 若允许光以多个特定角射入光纤并在其中传播，称多模式。 一定波长下能以多模式传输的光纤称多模光纤，其纤芯 直径较大，一般50～75?m，包层直径100～200?m 。多模光 纤传输性能较差，带宽窄，传输容量较小。 如图，以不同角度入射光纤的光在光纤中形成不同的传播 模式。沿光纤轴传的叫基模，相继还有一次模、二次模等。 纤芯直径很小，只许通过一个基模的光纤 称单模光纤。其纤芯直径很小(4～10 ?m) ， 由于只传输基模，其传输频带很宽，传输 容量大，适用于大容量、长距离光纤通信。 12.3 光纤传感器 12.3.3 光纤的传光原理 根据几何光学原理，如图所示，当光以较小入射角?1(小于临界角θc)由光密介质1（纤芯）射向光疏介质2（包层）（即折射率n1n2）时，一部分入射光以折射角?2折射入介质2，其余部分以?1反射回介质1。 依据光折射和反射的斯涅尔（Snell）定律，有： （1）当?1角逐渐增大至?1=?2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(?2=90?)。对应于?2 =90?时的入射角?1称为临界角?c。 （2）当?1?c时，光线不再折射入介质2，而在介质1内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。 12.3 光纤传感器 12.3.3 光纤的传光原理 实际关心光以多大角度射入光纤时，能使折射光完全在纤芯中传播，即上图中光线入射角?0什么情况下使?1?c 。 设光从空气(折射率n0)射入纤芯(折射率n1)端面，包层的折射率为n2, 根据Snell定律有: n0sin?0 =n1sin(90??1)= n1cos?1； 要形成全反射，须满足n1sin?1≥n2。 由上述两个关系式可得： 因此，入射角的最大值为?0max=argsin( )。 定义sin?0max为光纤的数值孔径(NA)，则NA= 空气的折射率n0为1，光纤的NA值由材料的折射率决定。 NA大，则?0max大，因此NA代表了光纤的集光能力。 12.3 光纤传感器 12.3.4 光纤的特性 (1) 光纤损耗：光纤传输光时，随传输距离的增加，其功 率逐渐减小的现象。损耗用损