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第9章 光纤传感器 9.1 光纤传感器的原理结构及种类 9.2 光的传输原理 9.3 光导纤维传感器的类型 9.4 功能型光纤传感器 9.5 非功能型光纤传感器 9.6 光纤传感器的应用 光纤即光导纤维是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成新的光学技术，创造了光电子学新领域。光纤的出现产生了光纤通讯技术，特别是光纤在有线通讯网的优势越来越突出，它为人类21世纪的通讯基础------信息高速公路奠定了基础，为多媒体（符号、数字、语言、图形和动态图象）通信提供了实现的必须条件。 光纤传感器始于1977年，经过数十年的研究，光纤传感器取得了十分重要的进展，对军事、航天航空技术和生命科学等的发展起着十分重要的作用。 光纤传感器与常规传感器相比，有如下优点： 1.具有很高的灵敏度。 2.频带宽动态范围大。 3.光纤直径只有几微米到几百微米；抗拉强度为铜的17倍。而且光纤柔软性好，可根据实际需要作好各种形状，深入到机器内部或人体弯曲的内脏等常规传感器不宜到达的部位进行检测。 4.测量范围很大，如测量物理量有：声场、磁场、压力、温度、加速度、转动、位移、液位、流量、电流、辐射等。 5.抗电磁干扰能力强。光纤主要由绝缘材料组成，工作时利用光子传输信息，不怕电磁场干扰；光波易于屏蔽，外界光的干扰也很难进入光纤。 6.光纤集传感与信号传输于一体，利用它很容易构成分布式传感测量，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。 7.可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境。 8.结构简单、体积小、质量轻、耗能少。 9.1 光纤传感器的原理结构及种类 9.1.1 光纤传感器的原理 光纤传感器由光发送器、敏感元件、光接收器、信号处理系统及光导纤维等主要部分组成。 光纤传感系统的基本原理是：光纤中光波参数（如光强、频率、波长、相位以及偏振态等）随外界被测参数的变化而变化，所以，可通过检测光纤中光波参数的变化以达到检测外界被测物理量的目的。 P139图9.1 光纤传感器构成示意图 9.1.2 光纤的结构 光纤是一种传输光信息的导光纤维，主要由高强度石英玻璃、常规玻璃和塑料制成。 光纤由纤芯、包层、护套组成。 光主要在纤芯中传输，光纤的导光能力主要取决于纤芯和包层的折射率，纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2，典型数值是n1=1.46—1.51，n2=1.44---1.50. P139图9.2 光纤的基本结构 9.1.3 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大类；按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型；按传播模式的多少分为单模光纤和多模光纤；按用途分为通信光纤和非通信光纤。 1、按纤芯和包层材料性质分类，有玻璃光纤和塑料光纤两大类 1）高纯度石英（sio2）玻璃纤维，这种材料的光损耗比较小。 2）多组分玻璃纤维，用常规玻璃制成，损耗较小。 3）塑料光纤，用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但质量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。 2、按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型 1）阶跃型光纤（折射率固定不变）：指纤芯和包层折射率不连续的光纤。 2）梯度型光纤（纤芯折射率近似呈平方分布）：在中心轴上折射率最大，沿径向逐渐变小，界面处 n1=n2，n1的分布大多按抛物线规律，其关系式为： n1=n.(1-A.r2/2) n为纤芯中心折射率，如1.525 A为常数，如A=0.5mm-2 r为径向坐标 采用梯度折射率光纤时，光射入光纤后会自动从界面向轴心会聚，故也称为自聚焦光纤。 P140图9.3 光纤的种类和光传播形式 3、按传播模式的多少分为单模光纤和多模光纤 光波，本质上是一种电磁波，在纤芯内传播的光波，可以分解为沿轴向和截面传输的两种平面波成分。沿截面传输的平面波将会在纤芯与包层的界面处产生反射。如果此波的每一个往复传输（入射和反射）的相位变化是360°的整数倍时，就可以在截面内形成驻 波，这样的驻波光线组又称为模。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，在光纤内只能传输一定数量的模。当光纤直径很小（一般为5---10微米），只能传播一个模时，这样的光纤称为单模光纤；光纤直径较大（通常为几十微米以上），能传播几百个以上的模时，这样的光纤被称为多模光纤。 每一个允许传播的波称为模式；只能传播一个光线模式的光纤称为单模光纤