文档介绍：1第六章光纤传感器 2 光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor) 是20世纪 70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物,它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体,用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此,它同时具有光纤及光学测量的特点。①电绝缘性能好。②抗电磁干扰能力强。③非侵入性。④高灵敏度。⑤容易实现对被测信号的远距离监控。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量 3 一、光导纤维导光的基本原理光是一种电磁波, 一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论指出:在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间, 可以用“光线”即几何光学的方法来分析光波的传播现象, 这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。为此, 采用几何光学的方法来分析。 1、斯乃尔定理(Snell's Law ) 当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射, 如图(a) ,其折射角大于入射角,即 n 1>n 2时, θ r>θ i。 n 1n 2θ rθ i(a) 光的折射示意图可见,入射角θ i 增大时,折射角θ r也随之增大,且始终θ r>θ i。 n 1、n 2、θ r、θ i之间的数学关系为 n 1 sin θ i=n 2 sin θ r 4 当θ i>θ i0并继续增大时, θ r>90o,这时便发生全反射现象,如图(c) ,其出射光不再折射而全部反射回来。式中: θ i0——临界角θ i0 =arcsin( n 2/n 1) sin θ i0=n 2/n 1 sin θ r= sin90 o=1 n 1n 2θ rθ i(c) 光全反射示意图 n 1n 2θ rθ i (b) 临界状态示意图当θ r =90 o时, θ i仍< 90o,此时, 出射光线沿界面传播如图( b), 称为临界状态。这时有 5 2 、光纤结构分析光纤导光原理,除了应用斯乃尔定理外还须结合光纤结构来说明。光纤呈圆柱形,它由玻璃纤维芯( 纤芯) 和玻璃包皮(包层)两个同心圆柱的双层结构组成。纤芯位于光纤的中心部位,光主要在这里传输。纤心折射率 n 1 比包层折射率 n 2 ,光线在这个界面上反射传播。 2R 2rn 2n 1n n 2n 1纤芯包层光纤结构 6 3、光纤导光原理及数值孔径 NA 入射光线 AB 与纤维轴线 OO 相交角为θ i ,入射后折射(折射角为θ j) 至纤芯与包层界面 C 点,与 C 点界面法线 DE 成θ k角,并由界面折射至包层, CK 与 DE 夹角为θ r。则 n 0 sin θ i=n 1 sin θ j n 1 sin θ k=n 2 sin θ r sin θ i =(n 1/n 0 )sin θ j sin θ k =(n 2/n 1 )sin θ r因θ j =90 o-θ k 所以θ jθ iθ kθ rA B CD EF G KO O n 0n 2n 1光纤导光示意图 K K k in nn nn n???? 20 10 1 0 1 sin 1 cos )90 sin( sin?????? r r innnn nn n??? 222 210 21 20 1 sin 1 sin 1 sin????????????n 0为入射光线 AB 所在空间的折射率,一般为空气,故 n 0≈1,n l为纤芯折射率, n 2为包层折射率。当 n 0 =1 时 7 上式 sin θ i0为“数值孔径” NA(Numerical Aperture) 。由于 n 1与n 2相差较小,即 n 1+n 2≈2n 1,故又可因式分解为 r inn?? 222 21 sin sin?? 22 210 sinnn i?????2 sin 10n i?Δ=(n 1-n 2 )/n 1称为相对折射率差当θ r =90 o的临界状态时, θ i=θ i0 当θ r <90 o时, sin θ i >NA ,θ i >arcsin NA ,光线消失。这说明 arcsinNA 是一临界角, 凡入射角θ i> arcsinNA 的那些光线进入光纤都不能传播而在包层消失;相反, 只有入射角θ i< arcsinNA 的光线才可进入光纤被全反射传播当θ r =90 o时当θ r >90 o时,光线发生全反射,则 sin θ i0 =NA θ i0 =arcsin NA θ i<θ i0 =arcsin NA 8 二、光纤传感器结构原理及分类 1、光纤传感器结构原理以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接