光电传感器知识介绍.ppt

3、光纤导光原理及数值孔径NA 入射光线AB与纤维轴线OO相交角为θi，入射后折射(折射角为θj)至纤芯与包层界面C点，与C点界面法线DE成θk角，并由界面折射至包层，CK与DE夹角为θr。则 n0sinθi=n1sinθj n1sinθk=n2sinθr sinθi=(n1/n0)sinθj sinθk=(n2/n1)sinθr 因θj=90o－θk 所以 θj θi θk θr A B C D E F G K O O n0 n2 n1 光纤导光示意图 n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般为空气，故n０≈1，nl为纤芯折射率，n2为包层折射率。当n０=1时 上式sinθi0为“数值孔径” NA(Numerical　Aperture)。由于n1与n2相差较小，即n1+n2≈2n1,故又可因式分解为 Δ=(n1-n2)/n1称为相对折射率差 当θr=90o的临界状态时，θi=θi0 当θr90o时，sinθiNA，θiarcsin NA，光线消失。 这说明arcsinNA是一临界角,凡入射角θi＞arcsinNA的那些光线进入光纤都不能传播而在包层消失；相反,只有入射角θi＜arcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播 当θr=90o时 当θr90o时，光线发生全反射，则 sinθi0=NA θi0=arcsin NA θiθi0=arcsin NA 二、光纤传感器结构原理及分类 1、光纤传感器结构原理 以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图(b)。 光纤 信号处理 光接收器 敏感元件 光发送器 （b）光纤传感器 信号处理 电 源 信号接收 敏感元件 （a）传统传感器 导线 由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。 可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。 光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即 A——电场E的振幅矢量；ω——光波的振动频率； φ——光相位；t——光的传播时间。 可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。 传感器 光学现象 被测量 光纤 分类 干涉型 相位调制光线传感器 干涉（磁致伸缩） 干涉（电致伸缩） Sagnac效应 光弹效应 干涉 电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移 温度 SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM a a a a a ? ? ? 非 ? ? 干 ? ? 涉 ? ? 型 ? 强度调制光纤温度传感器 遮光板遮断光路 半导体透射率的变化 荧光辐射、黑体辐射 光纤微弯损耗 振动膜或液晶的反射 气体分子吸收 光纤漏泄膜 温度、振动、压力、加速度、位移 温度 温度 振动、压力、加速度、位移 振动、压力、位移 气体浓度 液位 MM MM MM SM MM MM MM b b b b b b b 偏振调制光纤温度传感器 法拉第效应 泡克尔斯效应 双折射变化 光弹效应 电流、磁场 电场、电压、 温度 振动、压力、加速度、位移 SM MM SM MM b,a b b b 频率调制光纤温度传感器 多普勒效应 受激喇曼散射 光致发光 速度、流速、振动、加速度 气体浓度 温度 MM MM MM c b b 注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型 2、光纤传感器的分类 （1）根据光纤在传感器中的作用 光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类。 1）功能型（全光纤型）光纤传感器 利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变