ch光纤传感器及其应用.ppt

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, 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***,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 2sin sinn n? ??02 2 190 arcsin( / )cn 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n1要大于包层的折射率n2。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、(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 21 2NA 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2θc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。?≤NA≤。 2. 传播模式12 221 20 02 2( ) ( )a aV n n NA? ?? ?? ??式中,a为纤芯半径,λ0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。,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12 221 202( ) 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。