光纤检测技术课件

参考轴
参考轴
θ0
θ1 1
n2 n1
n0 sin 0 n1 sin 1 n1 cos 1
产生全反射的最大入射角由斯乃尔定理得：
n2 sin 1 n 1 sin n1 cos 0 1 n 0
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1 2 2 sin 0 n1 n2 n0
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。
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第七章 光纤检测技术
光纤传感器的特点:
灵敏度高
电绝缘性能好
抗电磁干扰 耐腐蚀、耐高温
体积小、重量轻
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
2、光纤导光原理 光纤的传播基于光的全反射原理。当光线在光 纤端面入射角1增大到某一角度 时，光线全部 c 反射。 光线全部被反射时的入射角 称临界角，只要 c c > 1 ，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。
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第七章 光纤检测技术
n1 sin 1 n2 sin 2 (n1 n2 )
n2 n1
2
n2 n1
2
n2 n1
2
1
参考轴
1
参考轴
1
(a)光的折射示意图
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(b)临界状态示意图
(c)光全反射示意图
参考轴
பைடு நூலகம்
第七章 光纤检测技术
全反射时的临界角满足：
n2 sin c (2 90 ) n1
第七章 光纤检测技术
2.色散 定义：输入脉冲在光纤传输过程中由于光波的群速 度不同而出现的脉冲展宽现象。
意义：反映传输带宽，关系到通讯信息的容量和质
量，光纤色散使传输的信号脉冲发生畸变。
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第七章 光纤检测技术
2.色散 分类： – 材料色散：材料的折射率随光波长λ 的变化而 变化，使光信号中各波长分量的光的群速度不 同而引起的色散。
NA 0.2 : 0.4
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第七章 光纤检测技术
四、光纤的特性
1、损耗
光从光纤一端射入，从光纤另一端射出， 光纤的损耗定义为: α－光纤损耗； L－光纤长度； Pi、Po－分别为光纤输入输出功率。
10 Pi a = lg L Po
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第七章 光纤检测技术
传播损耗分类：
第七章 光纤检测技术
3、数值孔径（Numerical Aperture)
1 2 sin c n12 n2 NA n0
参考轴
•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。 •NA反映了光纤的集光能力；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：
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第七章 光纤检测技术
§7.1 光纤的传光原理及特性
一、结构 保护套 纤芯
包层
• 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，
• 纤芯折射率n1略大于包层折射率n2（n1＞n2）。
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第七章 光纤检测技术
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第七章 光纤检测技术
二、光纤的种类
按纤芯材料分：
玻璃光纤：用常规玻璃制成，损耗很低；
塑料光纤：用人工合成导光塑料制成，
其损耗较大，但重量轻，
成本低，柔软性好； 石英光纤：光损耗比较小。
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第七章 光纤检测技术
二、光纤的种类
根据纤芯到包层的折射率的变化规律分： 阶跃型光纤：
梯度型光纤：
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第七章 光纤检测技术
二、光纤的种类
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。
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第七章 光纤检测技术
三、传光原理
1、斯乃尔定理（Snell's 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：
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。
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第七章 光纤检测技术
感测技术
第七章 光纤检测技术
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第七章 光纤检测技术
§7.1 光纤的传光原理及特性 §7.2 光纤传感器
§7.3 功能型光纤传感器
§7.4 非功能型光纤传感器
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第七章 光纤检测技术
概 述
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
按传输模式分：
– 单模光纤：只能传播一种模式，
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。 – 多模光纤： 纤芯直径较大，传播模式较多，性能 较差，带宽较窄，制造容易，耦合容易。
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第七章 光纤检测技术
模的概念
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；
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第七章 光纤检测技术
4、抗拉强度 可弯曲是光纤的突出优点。光纤的弯曲性与光 纤的抗拉强度有关。抗拉强度大的光纤,不仅强 度高,可挠性也好,同时,其环境适应性能也强。 光纤的抗拉强度取决于材料的纯度、分子结构 状态、光纤的粗细及缺陷等因素。 5、集光本领
– 波导色散：由于波导结构不同，某一波导模式 的传播常数随着信号角频率变化而引起色散。
– 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。
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第七章 光纤检测技术
3、容量 输入光纤的可能是强度连续变化的光束, 也可能是一组光脉冲. 因为色散现象，脉冲展宽，信号畸形，限 制了光纤的信息容量和质量。 光脉冲的展宽程度可用延迟时间来反映。