文档介绍：光调制与解调技术
第9章光纤传感器
光纤传感器基础
光纤传感器实例
第9章光纤传感器
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。
第一节光纤传感器基础
第9章光纤传感器
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。,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。
光纤的基本结构与波导
第9章光纤传感器
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(),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。
光在两介质界面上的折射和反射
第9章光纤传感器
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()和图()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。
第9章光纤传感器
同理,(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=~。
第9章光纤传感器
    光纤按纤芯和包层材料性质非类,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,。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,。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。
第9章光纤传感器
 光纤的折射率断面(a)阶跃型;(b)梯度型
 光在梯度型光纤的传输
光纤传输的光波,可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播的两种平面波成分。后者纤芯和包层的界面上会产生全反射。当它在横切向往返一次的相位变化为2π的整数倍时,将形成驻波。形成驻波的光线组称为模;它是离散存在的,亦即某种光纤只能传输特定模数的光。通常纤芯直径较粗时,能传播几百个以上的模,二纤芯很细时,只能传播一个模。前者称为多模光纤,多用于非功能型(NF)光纤传感器;后者是单模光纤,多用于功能型(FF)光纤传感器。
第9章光纤传感器
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)。
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。
第9章光纤传感器
表9-1 光纤传感器分类