第七章 第二节 光纤传感器.ppt

7.2 光纤传感器 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了新的光学技术，创造了光电子学的新天地(领域)。光纤的出现产生了光纤通信技术，特别是光纤在有线通信广的优势越来越突出，它为人类21世纪的通信基础一—信息高速公路奠定了基础，为多媒体(符号、数字、语音、图形和动态图像)通信提供了实现的必需条件。由于光纤只有许多新的特性，所以不仅在通信方面，而且在其他方面也提出了许多新的应用方法。例如，把待测量与光纤内的导光联系起来就形成光纤传感器。光纤传感器始于1977年，经过20余年的研究，光纤传感器取得了十分重要的进展，目前正进入研究和实用并存的阶段。它对军事、航天航空技术和生命科学等的发展起着十分重要的作用。随着新兴学科的交叉渗透，它将会出现更广阔的应用前景。 首先看几个利用光纤传感测量的例子。 类似于涡流、磁电传感器测转速的原理 类似于光电二极管 测位移的原理 作业件检测 颜色检测 一、光纤结构和传光原理 光纤结构十分简单，它是一种多层介质结构的圆柱体，圆柱体由纤芯、包层和护层组成。 纤芯材料的主体是二氧化硅或塑料，制成根细的圆柱体，其直径在5～75μm内。有时在主体材料中掺人极微量的其他材料如二氧化锗或五氧化二磷等，以便提高的折射率。围绕纤芯的是一层圆柱形套层(包层)，包层可以是单层，也可以是多层结构，层数取决于光纤的应用场所，但总直径控制在100 ～ 200μm范围内。包层材料一船为SiO2，也有的掺人极微量的三氧化二硼或四氧化硅。与纤芯掺杂的目的不同，包层掺杂的目的是为了降低其对光的折射率。包层外面还更涂一些涂料，其作用是保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。光纤最外层是一层塑料保护管，其颜色用以区分光缆中各种不同的光纤。光缆是内多根光纤组成。并在光纤间填入阻水油膏以此保证光缆传光性能。光缆主要用于光纤通信。我们知道， 光纤是利用光的内全反射规律，将入射 光传递到另一端的。 设有一段圆柱形光纤,如图所示, 当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成θ角时,根据斯涅耳光的折射定律,在光纤内折射成θ′,然后以φ角入射至纤芯与包层的界面。若要在界面上发生全反射,则纤芯与界面的光线入射角φ应大于临界角φc,即 当纤芯与界面的光线入射角φ达到临界角φc时，光入射到光纤端面的入射角也达到临界入射角θc，即 式中称为光纤的数值孔径，用NA表示。它表示当入射光从折射率为n0的外部介质进入光纤时，只有入 射角小于θc的光才能在光纤中 传播。否则，光线会从包层中 逸出而产生漏光。NA是光纤的 一个重要参数，NA值越大，光 源到光纤的耦合效率越高。 二、光纤分类 根据光纤的折射率、光纤材料、传输模式、光纤用途和制造工艺，有如下几种分类方法： 1．阶跃型和梯度型光纤 根据光纤的折射率分布函数，普通光纤可分为阶跃型和梯区型两类。 阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的，即纤芯内的折射率分布大体上是均匀的，包层内的折射率分布也大体均匀，均可视为常数，但是纤芯和包层的折射率