光纤传感器及色敏传感器.ppt

第32讲 光纤传感器 1、概述 2、光纤结构及其传光原理 3、 光纤传感器的工作原理及组成 4、光纤传感器应用 作业 P160: 8-1 什么叫光电效应？光电效应有哪几种？什么叫外光电效应、内光电效应、光电导效应、光生伏特效应？ 8-6 光纤传感器按其传感器原理分类可分为哪些？光纤传感器有哪几种不同的调制形式？ 8-7 光纤传感器具有哪些特点？ 不受电磁干扰，体积小，重量轻，可绕曲，灵敏度高，耐腐蚀， 高绝缘强度，防爆性好，集传感与传输于一体，能与数字通信系统兼容等。 * 8.3 光 纤 传 感 器 (P150) 8.3.1 概述 光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新技术， 它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。  光纤传感器和传统的各类传感器相比有一定的优点，如不受电磁干扰，体积小，重量轻，可绕曲，灵敏度高，耐腐蚀， 高绝缘强度，防爆性好，集传感与传输于一体，能与数字通信系统兼容等。光纤传感器能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、 声和PH值等70多个物理量的测量，在自动控制、 在线检测、 故障诊断、安全报警等方面具有极为广泛的应用潜力和发展前景。 8.3.2 光纤结构及其传光原理 1. 光纤结构 光导纤维简称光纤，它是一种特殊结构的光学纤维，结构如图8-33所示。 中心的圆柱体叫纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫包层。纤芯和包层通常由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。在包层外面还常有一层保护套，多为尼龙材料，以增加机械强度。 图8-33 光纤的基本结构 2. 光纤传光原理 众所周知，光在空间是直线传播的。在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随着光纤能传送很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。设有一段圆柱形光纤，如图8-34所示，它的两个端面均为光滑的平面。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成θi角时，在端面发生折射进入光纤后, 又以φi角入射至纤芯与包层的界面，光线有一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。 但当入射角θi小于临界入射角θc时，光线就不会透射界面，而全部被反射，光在纤芯和包层的界面上反复逐次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端面射出，这就是光纤的传光原理。 图8-34 光纤的传光原理 根据斯涅耳（Snell）光的折射定律，由图8-34可得 （8-4） （8-5） 式中，n0为光纤外界介质的折射率。 若要在纤芯和包层的界面上发生全反射， 则界面上的光线临界折射角φc=90°，即φ ′≥φc=90°。 而 当φ′=φc=90°时，有 (8-7) (8-6) 所以，为满足光在光纤内的全内反射， 光入射到光纤端面的入射角θi应满足 一般光纤所处环境为空气，则n0=1，这样式（8-8）可表示为 实际工作时需要光纤弯曲，但只要满足全反射条件，光线仍然继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。 （8-8） （8-9） 8.2.2 光纤基本特性 1. 数值孔径（NA） 数值孔径（NA）定义为 （8-10） 数值孔径是表征光纤集光本领的一个重要参数，即反映光纤接收光量的多少。其意义是：无论光源发射功率有多大，只有入射角处于2θc的光椎角内，光纤才能导光。如入射角过大， 光线便从包层逸出而产生漏光。光纤的NA越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，这有利于提高耦合效率； 但数值孔径过大，会造成光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为0.2~0.4。 2. 光纤模式 光纤模式是指光波传播的途径和方式。对于不同入射角度的光线，在界面反射的次数是不同的，传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布也是不同的，这就是传播模式不同。在光纤中传播模式很多不利于光信号的传播，因为同一种光信号采取很多模式传播将使一部分光信号分为多个不同时间到达接收端的小信号，从而导致合成信号的畸变，因此希望光纤信号模式数量要少。 一般纤芯直径为2~12μm，只能传输一种模式称为单模光纤。这类光纤的传输性能好，信号畸变小，信息容量大，线性好， 灵敏度高， 但由于纤芯尺寸小，制造、连接和耦合都比较困难。 纤芯直径较大（50~100μm），传输模式较多称为多模光纤。 这类光纤的性能较差，输出波形有较大的差异，但由于纤芯截面积大，故容易制造，连接和耦合比较方便。 3. 光纤传输损耗