传感器9 光纤传感器幻灯片PPT

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(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
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9.2 光调制与解调技术
光就是一种横波，
光的电矢量E E B si n t ()
可以用被测量调制光的不同参数，例如： 光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制
9.1.1 光纤波导原理 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。 由略圆大柱 于形 包内 层芯 的和 折包射层率组n2成。，而且内芯的折射率n1 通常直径为几微米到几百微米
光纤的构造
涂覆层 包层 纤芯
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，一局部能量反射回原介质；另 一局部能量那么透过分界面，在另一介质内继续传 播。
sin i n 1 2n2 2si2nr
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当θr =90°的临界状态时，对应的入射角为：
sin i0 n1 2n2 2
Sin θi0定义为“数值孔径〞NA〔Numerical Apertu
N s A ii0n n 12 i0 arN cs A
其中： (n 1 n 2)/n 1 相对折射率差
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。
a类：功能型 FF
b类：非功能 型NF
C类：拾光型 NF
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(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：构造紧凑、灵敏度高。
arcsinNA是一个临界角， θi > arcsinNA时，光线进入光纤后在包层消失； θi < arcsinNA时，光线进入光纤后才可以被全反射传播。
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光在光纤中的全反射
光的全反射实验
数值孔径〔NA〕
N A sin n 2 n 2
i0
1
2
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
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光纤内光传播的模式数量用归一化频率ν表示为
2 rN/A
r为光纤半径，λ为光波波长。
希望ν小那么r不能太大，且n2与n1之差
要光小纤传输模的总数: N 2 2
阶跃型
N 2 4
渐变型
单模光纤：V<2.405 普通单模光纤：n1-n2/n1~310-3 r=2~4m
9.1.2 光纤的特性
传播常数 2： n20 传输距离越长，色散现象越严重。
9.1.3 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展调制， 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展检测，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 。
缺点：须用特殊光纤，本钱高， 典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。
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(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，本钱低。
缺点：灵敏度较低。
实用化的大都是非功能型的光纤传感器。
内的光功率能被光纤承受传播。 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。
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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
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。
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：由于波导材料的构造不同，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，也称构造色散 (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。
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sin i(n 1/n0)sin j j 90k
si i n ( n 1 /n 0 ) s9 i n 0 k ) ( n n 1 0 ck o n n 1 0 s 1 s2 ikn
sini
ห้องสมุดไป่ตู้
n1 n0
1(
n2 n1
sinr
)2
1 n0
n12 n22 sin2r
n0为入射光AB所在空间的折射率，一般为空气n0≈1，那么
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各种装饰性光导纤维
光纤传感器外形
9.1 光纤传感器根底
1. 损耗
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。
a10lgPi L P0
传播损耗〔单位为dB/km〕
式中, L ——光纤长度(km)； P0——光纤输出端光强； Pi——光纤输入端光强。
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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。
斯乃尔定理
当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射
〔a〕折射角θr大于入射角θi： n 1siinn2sin r
〔b〕临界状态入射角θi0 ： i0 arcn s2i/nn1)(
〔c〕全反射 ：i i0
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光纤导光
n0sin i n1sin j n 1sik nn2sin r
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。