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光纤传感器 一、 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。 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 光纤导光 光纤模式 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。 a类：功能型FF b类：非功能型NF C类：拾光型NF (a) 功能型（全光纤型）光纤传感器 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。 缺点：须用特殊光纤，成本高， 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 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。 优点：无需特殊光纤及其他特殊技术， 比较容易实现，成本低。 缺点：灵敏度较低。 实用化的大都是非功能型的光纤传感器。 (c) 拾光型光纤传感器 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。 典型例子： 光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器 强度调制与解调 利用被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方式。光强度变化可以直接用光电探测器进行检测， 优点: 结构简单、容易实现、成本低。 缺点: 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响 二、 偏振调制与解调 利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息 应用： 电流、磁场传感器：法拉第效应； 电场、电压传感器：泡尔效应； 压力、振动或声传感器：光弹效应； 温度、压力、振动传感器：双折射性 优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。 三、光纤传感器的特点 光缆的外形 光纤的类型 阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致，称为多模光纤。 梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。 单孔型光纤 单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）接近于被传输光波的波长，光以电磁场“模”的原理在纤芯中传导，能量损失很小，适宜于远距离传输。 与光纤耦合的电光与光电转换器件 实现电光转换的元件通常是发光二极管或激光二极管。 激光二极管的外形 专用的光纤连接头及光纤插座 光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。 光纤液位传感器 光纤式光电开关应用 光纤式光电开关应用 光纤式光电开关应用 * * 上一页 下一页 返 回 一、 光纤传感器基础 二、 光调制与解调技术 三、 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 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。 上一页 下一页 返 回 光在光纤中的全反射 光的全反射实验 光纤按折射率变化类型分类 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 上一页 下一页 返 回 单模光纤：V2.405 普通单模光纤：n1-n2/n1~3?10-3 r=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 2 光纤传感器的分类 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。 光纤传感器一般可分为两大类：功能型FF和非功能型NF 功能型FF:利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件。所以也称传感型光纤传感器，或全光纤传感器。 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