第9章 光纤传感器.ppt

燕山大学电气工程学院第9章光纤传感器光纤传感器(FOS :Fiber Optical Sensor) 是20世纪 70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物,它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体,用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此,它同时具有光纤及光学测量的特点。概论光纤传感器的特点:①电绝缘性能好。②抗电磁干扰能力强。③非侵入性。④高灵敏度。⑤容易实现对被测信号的远距离监控。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量 12 燕山大学电气工程学院第9章光纤传感器 光纤传感器的基本知识 光纤的结构光纤是光导纤维的简称,形状一般为圆柱形,材料是高纯度的石英玻璃为主,掺少量杂质锗、硼、磷等。光纤的结构如图所示。纤芯的折射率比包层的折射率稍大,当满足一定条件时,光就被“束缚”在光纤里面传播。 13 燕山大学电气工程学院第9章光纤传感器 光纤的传光原理 14 燕山大学电气工程学院第9章光纤传感器 1 1 2 2 sin sin n n ? ??如图,根据几何光学理论, 当光线以某一较小的入射角, 由折射率为 n 1 的光密物质射向折射率为 n 2 的光疏物质(即n 1>n 2) 时,则一部分入射光以折射角折射入光疏物质,其余部分以角度反射回光密物质,根据折射定律( 斯涅尔定律) ,光折射和反射之间的关系为: 1? 2? 1?当光线的入射角增大到某一角度时,透射入光疏物质的折射光则沿界面传播,即=90°,称此时的入射角为临界角。那么,由斯涅尔定律得 2? 1? c? c? 2c1 sin nn ??临界角仅与介质的折射率的比值有关 15 燕山大学电气工程学院第9章光纤传感器当入射角> 时,光线不会透过其界面,而全部反射到光密物质内部,也就是说光被全反射。根据这个原理,如图所示, 只要使光线射入光纤端面的光与光轴的夹角小于一定值,则入射到光纤纤芯和包层界面的角就满足小于临界角的条件, 光线就射不出光纤的纤芯。光线在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向前传播,光就能从光纤的一端以光速传播到另一端,这就是光纤传光的基本原理。 1? c? 0? 1? c?可以证明,该入射角为 2 2 0 1 2 01 sin n n n ?? ?光纤的“数值孔径”NA, 2 2 0 1 2 01 NA sin n n n ?? ?? 16 燕山大学电气工程学院第9章光纤传感器 光纤的种类 1 .按材料分类 1) 高纯度石英(SiO2) 玻璃纤维这种材料的光损耗比较小,在波长时,最低损耗约为 dB/km 。锗硅光纤,包层用硼硅材料,其损耗约为 dB/km 。 2) 多组分玻璃光纤用常规玻璃制成,损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤,在波长时, 最低损耗为 dB/km 。 3) 塑料光纤用人工合成导光塑料制成,其损耗较大,当时,达到 100 ~ 200 dB/km 。但其重量轻,成本低,柔软性好,适用于短距离导光。 17 燕山大学电气工程学院第9章光纤传感器 2 .按折射率分类分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤,如图所示。在纤芯和包层的界面上,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的称为阶跃型;而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的称为渐变型。 18 燕山大学电气工程学院第9章光纤传感器 ,光纤可分为单模光纤和多模光纤。什么是光纤的传播模式光纤传输的光波,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。后者在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的整倍数时,将形成驻波。形成驻波的光线组称为“模”;它是离散存在的,亦即一定纤芯和材料的光纤只能传输特定模数的光。 2?19 燕山大学电气工程学院第9章光纤传感器单模光纤纤芯直径仅有几微米,接近波长。其折射率分布均为阶跃型。单模光纤原则上只能传送一种模数的光,常用于光纤传感器。这类光纤传输性能好,频带很宽,具有较好的线性度;但因芯小,难以制造和耦合。 1 10