文档介绍：光纤传感器及其应用
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光纤传感器
光纤基础知识
光纤传感器的分类
光纤传感器电类传感器的比较
光纤制作工艺
光纤传感器的应用
光纤传感器
光纤——光导纤维,是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介质材料制成的极细的纤维,是一种理想的光传输线路。
光纤传感器(Fiber Optic Sensor,FOS)兴起于20世纪70年代,是一类较新的光敏器件,它是利用被测量对光纤内传输的光波进行调制,使光波的一些参数,如强度、频率、波长、相位、偏振态等特性产生变化来工作。可以测量位移、加速度、压力、温度、磁、声、电等物理量。
光纤结构
光纤通常由纤芯、包层、保护套及组成。
纤芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圆柱体,直径约为5~150μm。
包层的材料也是玻璃或塑料等,直径为100-200um。但纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2。
保护套起保护光纤的作用。较长的光纤又称为光缆。
纤芯
包层
涂覆层
保护套
光纤的传光原理
斯奈尔定理:
(a)折射角大于入射角:
(b)临界状态:
(c)全反射:
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。
入射角的最大值为:
光纤的传光原理
数值孔径NA
将sinθ0定义为光导纤维的数值孔径,用NA表示,则:
NA意义:
NA表示光纤的集光能力,无论光源的发射功率有多大,只要在2θ0张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围,光线会进入包层漏光。
一般NA越大集光能力越强,光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大,要选择适当。
产品光纤不给出折射率N,只给数值孔径NA。
1、按折射率变化类
型分类
(1)阶跃型:纤芯与包层之间的折射率是突变的;
(2)渐变型:纤芯在横截面中心处折射率最大,并由中心向外逐渐变小,到纤芯边界时减小为包层折射率。这类光纤有自聚焦作用,也称自聚焦光纤。
光纤的分类
2、按照传输模式分类
(1)单模光纤:纤芯直径很小,接受角小,传输模式很少。这类光纤传输性能好,频带宽,具有很好的线性和灵敏度,但制造困难。单模光纤原则上只能传送一种模数的光。
(2)多模光纤:纤芯尺寸较大,传输模式多,容易制造,但性能较差,带宽较窄。多模光纤允许多个模数的光在光纤中同时传播。
光纤的分类
光波可分解为沿轴向和沿截面径向传播的两种平面波成分。沿截面径向传播的光波在纤芯与包层的界面上产生全反射,因此当它在径向每一次往返传输的相位变化是2π的整数倍时,就在截面内形成驻波。这种驻波光线组又称为“模”。某一种光纤只能形成特定数目的“模”式来传输光波,传播速度最快的模式称为基模或主模。纤芯直径越大,传播模式越多。
传播模式对信号的影响
nr
多模
梯度光纤
n2
n1
多模
阶跃光纤
n2
n1
单模
梯度光纤
本征:是光纤的固有损耗,包括散射,固有吸收等。
挤压:光纤受到挤压产生微小的弯曲而造成的损耗。
杂质:光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光,造成的损失。
不均匀:光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。
对接:光纤对接时产生的损耗,如:不同轴(),端面与轴心不垂直,端面不平,对接心径不匹配和熔接质量差等。
光纤的传输损耗
传输损耗:
光信号通过光纤传播时,因某种原因造成的光能量衰减,单位dB/km 。造成光纤衰减的主要因素有: