新型光电传感器讲述.ppt

传感器原理及应用 第9章??????光电式传感器 9.3 光纤传感器 (3) 光纤传感器 总结 光电效应 光电器件与应用方法 电荷耦合器件（CCD）工作原理 典型器件应用 光纤传感器传光与传感原理 光栅式传感器结构 作业 8.1 8.2 8.9 8.16 9.3 9.9 沿光纤传输的光可以分解为沿轴向和沿截面的两个平面波成分； 如果沿截面传输的波在纤芯和包层之间产生全反射，且每一往复传输的相位变化是2π的正数倍，就会形成驻波； 只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤的光波才能在光纤中传播，这些光波称为模。 模的概念 斯乃尔定理（Snells Law） 当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时，界面处光的传输满足折射定理： n1 n2 (a)光的折射示意图 参考轴 n1 n2 (b)临界状态示意图 参考轴 n1 n2 (c)光全反射示意图 参考轴 全反射时的临界角满足： 传感器原理及应用 第9章??????光电式传感器 光纤的传播基于光的全反射原理。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时，光线全部反射。 光线全部被反射时的入射角θc称临界角，只要θ＜θc，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。 9.3 光纤传感器 （1）光纤的结构和传输原理 ② 光纤的传光原理： 产生全反射的最大入射角由斯乃尔定理得： n1 n2 θ0 θ1 参考轴 参考轴 传感器原理及应用 第9章??????光电式传感器 为保证全反射，必须满足全反射条件（即θ＜θc） 由斯乃尔（Snell）折射定律可导出，外介质折射率为n0 射入纤芯时实现全反射的临界入射角为： 空气中 可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（N1、N2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。 9.3 光纤传感器 （1）光纤的结构和传输原理 ② 光纤的传光原理： 传感器原理及应用 第9章??????光电式传感器 9.3 光纤传感器（2）光纤的性能（几个重要参数） ①数值孔径（NA） 空气中： NA意义讨论： NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2θc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，光线会进入包层漏光。 一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。 产品光纤不给出折射率N只给数值孔径NA，石英光纤的数值孔径一般为： 参考轴 传感器原理及应用 第9章??????光电式传感器 光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。光波之间的干涉产生的强度分布也不同，模式值定义为： 式中： α为纤芯半径； 为入射波长。 9.3 光纤传感器（2）光纤的性能（几个重要参数） ② 光纤模式（V） 传感器原理及应用 第9章??????光电式传感器 模式讨论： 模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号分不同时间到达多个信号，导致合成信号畸变。 模式值V小，就是α值小，即纤芯直径小，只能传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。 除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。 9.3 光纤传感器 （2）光纤的性能（几个重要参数） ② 光纤模式（V） 传感器原理及应用 第9章??????光电式传感器 光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗，用衰减率A表示： 在一根衰减率为10dB/Km的光纤中，表示当光纤传输1Km后，光强下降到入射时的1/10。 9.3 光纤传感器 （2）光纤的性能（几个重要参数）  ③ 传播损耗（A） 吸收损耗： 物质的吸收作用将使传输的光能变成热能，造成光能的损失。与组成光纤的材料的电子受激跃迁和分子共振有关。 散射损耗： 由于材料密度的微观变化，成分起伏，以及在制造光纤过程中产生的结构上的不均匀性或缺陷引起的。 弯曲损耗：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成损耗。 传播损耗分类： 光纤耦合器是实现光信号分路/合路的功能器件。 耦合分为强耦合和弱耦合两种。 有拼接式、熔融拉锥式和腐蚀光纤