《光纤传感器》ppt课件

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1、光纤传感器光纤传感优点：灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可桡性、可实现不带电的全光型探头；频带宽动态范围大；可用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器；便于与计算机和光纤传输系统相连,易于实现系统的遥测和控制可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境；结构简单、体积小、重量轻、耗能少应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。上一页下一页返回光纤传感器始于1977年，经过20多年，目前已进入研究与应用并重阶段。第6章光纤传感器6.1光纤的传光原理与特性6.2传输光的调制技术6.3强度调制光纤传感器6.4相位调制光纤传感器上一页

2、下一页返回6.1光纤的传光原理与特性6.1.1光纤的结构6.1.2光纤的分类6.1.3光纤的传光原理6.1.4光纤的传光特性上一页下一页返回6.1.1光纤的结构上一页下一页返回上一页下一页返回多层介质结构：1.纤芯：石英玻璃，直径5－75um，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素2.包层：直径100－200um，折射率略低于纤芯3.涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光4.护套：尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤6.1.2光纤的分类上一页下一页返回1.按折射率变化类型分类按纤芯到包层折射率变化：阶跃折射率光纤渐变折射率光纤上一页下一页返回2.按传播模式种类来分单模光纤多模光纤纤芯直径小只能

3、传送一种模式传输性能好制造、连接、耦合困难纤芯直径较大传播模式较多性能较差，带宽较窄制造容易，耦合容易上一页下一页返回3.按材料分类高纯度石英玻璃纤维：光损耗比较小多组分玻璃光纤：用常规玻璃制成，损耗也很低塑料光纤：用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但重量轻，成本低，柔软性好上一页下一页返回结论：传导模：在纤芯中传输的光辐射模：进入包层的光要求：进入光纤中的光要能在纤芯中传输，而不要溢出纤芯。即：传导模尽可能大，辐射模尽可能小，从而获得最小的传输损耗。利用石英玻璃等高透射率电介质材料制作的光纤，是可见光至近红外光最理想的传输媒体。6.1.3光纤的传光原理1.光的折射与反射上一页下一页返

4、回光由光密介质入射到光疏介质时发生折射，如图(a)，其折射角大于入射角，即n1>n2时，θr＞θi。n1、n2、θr、θi间的数学关系为：上一页下一页返回当θr=90º时，θi仍＜90º，此时，出射光线沿界面传播如图（b），称为临界状态。临界角θi0为：上一页下一页返回当θi＞θi0并继续增大时，θr＞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。2.光在光纤中的传输上一页下一页返回能在光纤中传输的光线满足全反射条件的光线，Φ大于其临界入射角Φm时，进入纤芯的光就可以全反射的方式沿纤芯的釉向传的。θi↑→θc↑→Φ↓，为确保Φ>Φm，必须θi<θim。这种以全

5、反射方式在纤芯中传输的光线主要有子午光线和斜光线，子午光线是指与纤芯轴线相交的反射线，包含子午光线的平面叫子午面，圆柱体光纤中包含纤芯轴线的平面都是子午面。斜光线上一页下一页返回在阶跃光纤中传输的光线，能满足全反射条件的除了子午光线之外，还有一种斜光线。斜光线在纤芯中传的时并不保持在同一平面内，且不与纤芯轴线相交。光线由x点入射至纤芯后，在纤芯内是以同折射角的斜线XY—YZ传输的，斜光线XYZ在纤芯横截面上的投影折线XMN…组成一个内接正多边形。斜光线传输到界面处都要产生全反射，每次反射后形成的轴向角相等，相应地投影折线角β保持不变。梯度光纤的光传输上一页下一页返回梯度光纤中满足全反射的

6、光线也有子午光线和斜光线。所有满足全反射的子午光线，都按相同空间周期的正弦曲线传输。不同入射角θi的光线，其正弦曲线的振幅Rm不同；但各种入射角的子午光线都能定期地自动会聚到一点，因而梯度光纤又称之为自聚焦光纤。Rm随θi减小，在纤芯轴线处入射且入射角为0的光线将沿纤芯轴线传输，其振幅为0。正弦子午光线的周期Lt＝2π／α。式中α由光纤折射分布决定。6.1.4光纤的传光特性1.数值孔径（NA）2.传播损耗3.色散上一页下一页返回上一页下一页返回1.数值孔径（NA）反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意义：无论光源发射功率有多大，只有2θi张角之内的光功率能被光纤接受传播。如入射角过

7、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，这有利于提高耦合效率；但数值孔径过大，会造成光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为0.2~0.4。上一页下一页返回数值孔径（NA）定义为2.传播损耗上一页下一页返回光从光纤一端射入，从光纤另一端射出，光强发生衰减，定义为:(dB/km)式中α－光线损耗L－光纤长度Pi、Po－分别为光纤输入输出功率光纤传播损耗分类