第8章光電式傳感器-光纖傳感器ppt課件.ppt

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1、8.2光纖傳感器光纖傳感器（FOS）是基于光導纖維它制成的新型傳感器。1.光纖傳感器與常規(guī)傳感器相比也有很多特點：抗電磁干擾能力強、高靈敏度、耐腐蝕、可撓曲、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、以及與光纖傳輸線路相容等。2.特點光纖傳感器可應用于：位移、振動、轉(zhuǎn)動、壓力、彎曲、應變、速度、加速度、電流、磁場、電壓、濕度、溫度、聲場、流量、濃度、pH值等70多個物理量的測量，且具有十分廣泛的應用潛力和發(fā)展前景。3.光纖傳感器的應用8.2.1光纖結(jié)構(gòu)及其傳光原理光導纖維簡稱光纖，中心的圓柱體叫纖芯，圍繞著纖芯的圓形外層叫包層。纖芯和包層通常由不同摻雜的石英玻璃制成。纖芯的折射率n1(光密介質(zhì))略大于包

2、層的折射率n2(光疏介質(zhì))，光纖的導光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)。在包層外面還常有一層保護套，多為尼龍材料，以增加機械強度。1.光纖結(jié)構(gòu)光纜的外形及光纖的拉制2.光纖傳光原理根據(jù)幾何光學原理，當光線以較小的入射角θ1由光密介質(zhì)1射向光疏介質(zhì)2（n1＞n2）時，一部分入射光將以折射角θ2折射入介質(zhì)2，其余部分仍以θ1反射回介質(zhì)1。光在兩介質(zhì)界面上的折射和反射光的全反射現(xiàn)象是研究光纖傳光原理的基礎(chǔ)。圖8－40光纖的傳光原理若光在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射，則界面上的光線臨界折射角φc=90°，即φ′≥φc=90°。根據(jù)斯涅耳（Snell）光的折射定律，由圖8-40可得n0為光纖外界

3、介質(zhì)的折射率。當φ′=φc=90°時（即發(fā)生全反射條件），有產(chǎn)生全反射的條件為滿足光在光纖內(nèi)的全內(nèi)反射，光入射到光纖端面的入射角θi應滿足一般光纖所處環(huán)境為空氣，則n0=1，這樣上式可表示為實際工作時需要光纖彎曲，但只要滿足全反射條件，光線仍然繼續(xù)前進?？梢娺@里的光線“轉(zhuǎn)彎”實際上是由光的全反射所形成的。光的全反射實驗8.2.2光纖基本特性數(shù)值孔徑是表征光纖集光本領(lǐng)的一個重要參數(shù)，即反映光纖接收光量的多少。其意義是：無論光源發(fā)射功率有多大，只有入射角處于2θc的光椎角內(nèi)，光纖才能導光。如入射角過大，光線便從包層逸出而產(chǎn)生漏光。光纖的NA越大，表明它的集光能力越強，一般希望有大的數(shù)

4、值孔徑，這有利于提高耦合效率；但數(shù)值孔徑過大，會造成光信號畸變。所以要適當選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值，如石英光纖數(shù)值孔徑一般為0.2~0.4。數(shù)值孔徑（NA）定義為1.數(shù)值孔徑（NA）2.按光纖傳輸模數(shù)分類根據(jù)光纖的傳輸模式分類，可以把光纖分為多模光纖和單模光纖兩類。模的概念可簡單介紹如下：在纖芯內(nèi)傳播的光波，可以分解為沿軸向傳播的平面波和沿垂直方向（剖面方向）傳播的平面波。沿剖面方向傳播的平面波在纖芯與包層的界面上將產(chǎn)生反射。如果此波在一個往復（入射和反射）中相位變化為2π的整數(shù)倍，就會形成駐波。只有能形成駐波的那些以特定角度射入光纖的光波才能在光纖內(nèi)傳播，這些光波就稱為模。一般纖芯直

5、徑為2~12μm，只能傳輸一種模式稱為單模光纖，常用于光纖傳感器。這類光纖的傳輸性能好，信號畸變小，信息容量大，線性好，靈敏度高，但由于纖芯尺寸小，制造、連接和耦合都比較困難。在光纖內(nèi)只能傳輸一定數(shù)量的模。通常，纖芯直徑較粗（幾十μm以上）時，能傳播幾百個以上的模，而纖芯很細（5～10μm）時，只能傳播一個模。前者稱為多模光纖，后者稱為單模光纖。纖芯直徑較大（50~100μm）傳輸模式較多稱為多模光纖。這類光纖的性能較差，輸出波形有較大的差異，但由于纖芯截面積大，故容易制造，連接和耦合比較方便。3.光纖傳輸損耗目前常用的光纖材料有石英玻璃、多成分玻璃、復合材料等。在這些材料中，由

6、于存在雜質(zhì)離子、原子的缺陷等都會吸收光，從而造成材料吸收損耗。（1）吸收損耗光纖傳輸損耗主要來源于材料吸收損耗、散射損耗和光波導彎曲損耗。散射損耗主要是由于材料密度及濃度不均勻引起的，這種散射與波長的四次方成反比。因此散射隨著波長的縮短而迅速增大。所以可見光波段并不是光纖傳輸?shù)淖罴巡ǘ危诮t外波段（1~1.7μm）有最小的傳輸損耗。因此長波長光纖已成為目前發(fā)展的方向。（2）散射損耗光纖拉制時粗細不均勻，造成纖維尺寸沿軸線變化，同樣會引起光的散射損耗。另外纖芯和包層界面的不光滑、污染等，也會造成嚴重的散射損耗。光波導彎曲損耗是使用過程中可能產(chǎn)生的一種損耗。光波導彎曲會引起傳輸模式

7、的轉(zhuǎn)換，激發(fā)高階模進入包層產(chǎn)生損耗。當彎曲半徑大于10cm時，損耗可忽略不計。（3）光波導彎曲損耗光纖傳輸損耗設(shè)光纖入射端與出射端的光功率分別為Pi和Po，光纖長度為L（單位：km），則光纖的損耗a(單位：dB／km)可以用下式計算：光纖傳感器原理實際上是研究光在調(diào)制區(qū)內(nèi)，外界信號（溫度、壓力、應變、位移、振動、電場等）與光的相互作用，即研究光被外界參數(shù)的調(diào)制原理。8.2.3光纖傳感器1.光纖傳感器的基本工作原理及組成（1）基本工作原理外界信號可能引起光的強度、波長、頻率、相位、