第9章光纤传感器.ppt

第第9 9章章光纤传感器光纤传感器光导纤维传感器(简称光纤传感器) 光导纤维传感器(简称光纤传感器) 是是 20 20 世纪世纪七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光纤七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光纤最早用于通讯,随着光纤技术的发展,光纤传感最早用于通讯,随着光纤技术的发展,光纤传感器得到进一步发展。器得到进一步发展。与其它传感器相比较,光纤传感器有如下特点: 与其它传感器相比较,光纤传感器有如下特点: 1. ,防爆性能好,不会漏电打火; 不受电磁干扰,防爆性能好,不会漏电打火; 2. ,可以弯曲; 可根据需要做成各种形状,可以弯曲; 3. 、高压可以用于高温、高压, ,绝缘性好绝缘性好, ,耐腐蚀耐腐蚀. . 基本采用石英玻璃, 基本采用石英玻璃, 主要由三部分组成主要由三部分组成中心中心————纤芯; 纤芯; 外层外层————包层; 包层; 护套护套————尼龙料。尼龙料。光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质, 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质, 纤芯折射率纤芯折射率 n n 1 1略大于包层折射率略大于包层折射率 n n 2 2( (n n 1 1> >n n 2 2)。)。 光纤的结构与传光原理光纤的结构与传光原理 光纤的结构光纤的结构 100 ~200 100 ~200 μμm m 包层包层玻璃纤维玻璃纤维尼龙外层尼龙外层涂敷层涂敷层纤芯纤芯外层直径外层直径 1mm 1mm 光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角度入射到光纤端面时,在端面发生折射后角度入射到光纤端面时,在端面发生折射后进入光纤; 进入光纤; ??光线在光纤端面入射角光线在光纤端面入射角θθ减小到某一角度减小到某一角度θθc c 时,光线全部反射。时,光线全部反射。??只要只要θθ< <θθc c,光在纤芯和包层界面上经若干,光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播,最后从另一端面射出。次全反射向前传播,最后从另一端面射出。 光纤的传光原理光纤的传光原理图图 9-2 9-2 光纤导光示意图光纤导光示意图θθ 1 1θθ 0 0φφ 1 1A A B BC C n n 0 0n n 2 2n n 1 1d d D D 2 2θθ 0 0由斯奈尔( 由斯奈尔( Snell Snell )定律)定律: : ??就能产生全反射。就能产生全反射。可见,光纤临界入射可见,光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质( 角的大小是由光纤本身的性质( n n 1 1、、n n 2 2) ) 决定的,与光纤的几何尺寸无关。决定的,与光纤的几何尺寸无关。 11 100??? cos n sin n sin n 1??若满足若满足 1 21n n sin?? 22 21n-nn sin 0 01??即即入射角的最大值入射角的最大值为: 为: 22 21n-nn sin 0 01??将将 sin sin θθ 0 0定义为光导纤维的数值孔径定义为光导纤维的数值孔径, ,用用 NA NA 表示表示, ,则则 2 2 0 1 2 01 NA sin n -n n ?? ? NA NA 意义讨论: 意义讨论: ?? NA NA 表示光纤的集光能力,无论光源的发射功表示光纤的集光能力,无论光源的发射功率有多大,只要在率有多大,只要在 2 2θθc c 张角之内的入射光才能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, 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。光线会进入包层漏光。??一般一般 NA NA 越大集光能力越强,光纤与光源间耦越大集光能力越强,光纤与光源间耦合会更容易。但合会更容易。但 NA NA 越大光信号畸变越大,要越大光信号畸变越大,要选择适当。选择适当。??产品光纤不给出折射率产品光纤不给出折射率 N N,只给数值孔径,只给数值孔径 NA NA 。。 光纤的种类光纤的种类光纤按纤芯和包层材料的性质分类,有光纤按纤芯和包层材料的性质分类,有玻玻璃光纤璃光纤和和塑料光纤塑料光纤两类;按折射率分有两类;按折射率分有阶阶跃型跃型和和梯度型梯度型二种二种。。光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模式来分,可分为式来分,可分为多模光纤多模光纤和和单模光纤单模光纤两类。两类。多模光纤多模光纤多用于非功能型( 多用于非功能型( NF NF )光纤传感)光纤传感器; 器; 单模光纤单模光纤多用于功能型( 多用于功能型( FF FF )光纤传