文档介绍：第9章光纤传感器及其应用 1 第9章光纤传感器及其应用●灵敏度较高; ●几何形状具有良好的适应性,可制成任意形状的光纤传感器; ●可以传感各种不同物理信息(声、磁、温度、旋转等)的器件; ●抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温等恶劣环境。●容易实现对被测信号的远距离监控。优点: 光纤传感器:将来自光源的光经过光纤送入调制器,使待测参数与进入调制区的光相互作用,导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位等)发生变化,再经过光纤送入光探测器,经解调后,获得被测参数。应用: 磁、声、压力、温度、加速度、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。第9章光纤传感器及其应用 2 一、光导纤维结构和导光原理光纤的结构如图所示。纤芯, 由某种类型的玻璃或塑料制成;包层,由特性与纤芯略有不同的玻璃或塑料制成 光导纤维基本知识●纤芯:石英玻璃,直径 5 -75um ,以二氧化硅为主, 掺杂微量元素; ●包层:直径 100 -200um , 也是玻璃,但折射率略低于纤芯; ●涂敷层:硅酮,隔离杂光; 第9章光纤传感器及其应用 3 在光纤中, 光的传输限制在光纤中, 并随光纤能传送到很远的距离, 光纤的传输是基于光的全内反射。根据斯涅尔定律,光线在两种不同介质的分界面上会产生折射现象,折射定律为(a)折射角大于入射角: (b)临界状态: (c)全反射: 1 1 2 2 sin sin n n ? ?? 0 2 2 1 90 arcsin( / ) c n n ? ?? ?? 1c ? ?? 1 2 ? ??第9章光纤传感器及其应用 4 ?′包层 n2 纤芯 n1 ??<?c ??>? c根据全内反射原理,设计光纤纤芯的折射率 n 1要大于包层的折射率 n 2。掠射角(入射角的余角)θ>θc的光线:纤芯折射到包层中,不能传播很远; 掠射角θ<θc(临界角)的光线:发生全反射第9章光纤传感器及其应用 5 各种装饰性光导纤维第9章光纤传感器及其应用 6 二、光纤的几个重要参数 (NA) 数值孔径是反映纤芯接收光量的多少, 标志光纤接收性能的一个重要参数。定义为: 光从空气入射到光纤输入端面时, 处在某一角锥内的光线一旦进入光纤, 就将被截留在纤芯中,此光锥半角(θ)的正弦称为数值孔径。可导出 2 2 1 2 NA n n ? ??反映纤芯接收光量的多少,标志光纤的接收性能。?意义: 无论光源发射功率有多大,只有入射角处于 2θ c的光椎角内,光纤才能导光。第9章光纤传感器及其应用 7 大的数值孔径:有利于耦合效率的提高。但数值孔径太大,光信号畸变也越严重。?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,因为大的数值孔径有利于光纤的聚光能力, 有利于光源和光纤之间耦合效率的提高。?如石英光纤数值孔径 ≤ NA ≤ 。 2. 传播模式 1 2 2 2 1 2 0 0 2 2 ( ) ( ) a a V n n NA ? ?? ?? ??式中,a为纤芯半径,λ 0为入射光在真空中的波长根据电介质中电磁场的麦克斯韦方程,考虑到光纤圆柱形波导和纤芯-包层界面处的几何边界条件,则只存在波动方程的特定(离散)解。允许存在的不同的解代表许多离散的沿波导轴传播的波。每一个允许传播的波称为一个模。实际中常用由麦克斯韦方程导出的归一化频率 n 作为确定光纤传输模数的参数。 n 的值可以由纤芯半径 r、传输光波波长 l及光纤的数值孔径 NA 确定,即第9章光纤传感器及其应用 9 光纤 V值越大,则光纤所能允许传输的模式( 不同的离散波) 数越多。当 V 值低于 时, 只允许一个波或模式在光纤中传输。即圆柱波导的“单模条件”是 1 2 2 2 1 2 02 ( ) a n n ??? ?第9章光纤传感器及其应用 10 在光导纤维中传播模式很多对信息传输是不利的。因为同一光信号采取很多模式传播, 就会使这一光信号分为不同时间到达接收端的多个小信号,从而导致合成信号的畸变。