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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(FunctionFiberOpticSensor),又称FF型光纤传感器;另一类是非功能传感器(Non-FunctionFiberOpticSensor),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
第9章光纤传感器
第9章光纤传感器
光纤传感器具有很多的优点,是对以电为基础的传统传感器的革命性变革,发展前景是极其光明的。但是,目前光纤传感器的成本较高,在这方面仍面临着传统传感器的挑战,存在着与传统传感器和其它新型传感器的竞争问题。为此,有必要说明光纤传感器的可能发展趋势:
①当前应以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象。
②集成化光纤传感器。
③多功能全光纤控制系统。
④充分发挥光纤的低传输损耗特性,发展远距离监测系统。
⑤开辟新领域。
第9章光纤传感器
光的调制和解调可分为:强度、相位、偏振、频率和波长等方式。
光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载波光波上;完成这一过程的器件叫做调制器。
在光纤传感器中,光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光的强度变化,然后由光电探测器进行检测。
第二节光调制与解调技术
第9章光纤传感器
光纤传感器中光强度调制是被测对象引起载波光强度变化,从而实现对被测对象进行检测的方式。光强度变化可以直接用光电探测器进行检测。
解调过程主要考虑的是信噪比是否能满足测量精度的要求。
第9章光纤传感器
微弯损耗强度调制器的原理如图。当垂直于光纤轴线的应力使光纤发生弯曲时,传输光有一部分会泄漏到包层中去。
几种常用的光强调制技术