传感器技术第九章光纤传感器.pptxVIP

第九章光纤传感器上一页下一页返回9.1光纤传感器基础9.2光调制与解调技术9.3光纤传感器实例

各种装饰性光导纤维

光纤传感器外形

9.1.1光纤波导原理9.1光纤传感器基础光纤波导简称光纤，是用透光率高的电介质(石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。010203由圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率n1略大于包层的折射率n2。通常直径为几微米到几百微米

光纤的结构纤芯包层涂覆层护套

光的反射、折射当一束光线以一定的入射角θ1从介质1射到与介质2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。

斯乃尔定理（a）折射角θr大于入射角θi：（b）临界状态入射角θi0：（c）全反射：当光由光密物质n1出射至光疏物质n2时发生折射

光纤导光:

n0为入射光AB所在空间的折射率，一般为空气n0≈1，则：

当θr=90°的临界状态时，对应的入射角为：Sinθi0定义为“数值孔径”NA（NumericalAperture）相对折射率差arcsinNA是一个临界角，θiarcsinNA时，光线进入光纤后在包层消失；θiarcsinNA时，光线进入光纤后才可以被全反射传播。其中：

光在光纤中的全反射

光的全反射实验

数值孔径（NA）上一页下一页返回NA反映纤芯接收光量的多少，标志光纤集光性能。意义：无论光源发射功率有多大，只有2θi0张角之内的光功率能被光纤接受传播。大的数值孔径：光纤的集光性能强。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。0102

按纤芯到包层折射率变化：阶跃折射率光纤渐变折射率光纤光纤按折射率变化类型分类

光纤模式上一页下一页返回光纤模式:光波沿光导纤维传播的途径和方式。以不同角度入射的光线在(n1和n2)界面上的反射次数是不同的。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。当它在横向往返一次的相位变化为2π的整数倍时，将形成驻波。形成驻波的光线组称为模。在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不利的，导致合成信号的畸变，因此我们希望模式数量较少为好。

单模光纤：V2.405普通单模光纤：n1-n2/n1~3?10-3r=2~4?m多模光纤：r=25~60?m包层半径b?125?m光纤传输模的总数:r为光纤半径，λ为光波波长。希望ν小则r不能太大，且n2与n1之差要小光纤内光传播的模式数量用归一化频率ν表示为

9.1.2光纤的特性上一页下一页返回损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响。01传播损耗（单位为dB/km）02式中,L——光纤长度(km)；P0——光纤输出端光强；Pi——光纤输入端光强。03损耗04

2.色散色散就是输入脉冲在光纤中传输过程时，由于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。它使信号脉冲畸变。限制了光纤的传输带宽。(1)材料色散：同一材料的折射率随光波长的变化而变化，这是光信号中各波长分量的光的群速度不同而引起的色散；(2)波导色散：由于波导材料的结构不同，某一波导模式的传播常数随着信号角频率的变化而引起的色散，也称结构色散(3)多模色散：在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率下的传播常数不同，群速度不同而产生的色散。传输距离越长，色散现象越严重。

光纤传感器是通过对光纤内传输的光进行调制，使传输光的强度、相位、频率或偏振等特性发生变化，再通过对被调制的光信号进行检测，从而得出相应被测量的传感器。01光纤传感器一般可分为两大类：功能型FF和非功能型NF02功能型FF:利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件。也称传感型光纤传感器，或全光纤传感器。03非功能型：利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅做为光的传输介质。所以也称为传光型传感器．或混合型传感器。049.1.3光纤传感器的分类

a类：功能型FFb类：非功能型NFC类：拾光型NF

(a)功能型（全光纤型）光纤传感器1光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。优点：结构紧凑、灵敏度高。2缺点：须用特殊光纤，成本高，3典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。

(b)非功能型（或称传光型）光纤传感器缺点：灵敏度较低。4实用化的大都是非功能型的光纤传感器。5光纤在其中仅起导光作用，光照在非光纤型敏感元件上受被测量调制。1优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，2比较容易实现，成本低。3

(c)拾光型光纤传感器上一页下一页返回01用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。03光纤激光多普勒速度