光纤传感器6精品PPT课件
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《光纤传感器》PPT课件
光导纤维的主要参数
1. 数值孔径（NA）
2. 光纤模式
3. 传播损耗
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1. 数值孔径（NA）
2 NA sin i n12 n2
反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。
意义：无论光源发射功率有多大，只有 2θi 张角 之内的光功率能被光纤接受传播。
差动式膜片反射型光纤压力传感器
1．输出光纤
2．输入光纤
3．输出光纤
4．胶
5．膜片
I 2 1 Ap A―常数； 两束输出光的光强之比 I 1 1 Ap p―待测量压力
输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关
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将上式两边取对数，在满足(Ap)2≤1时，得到
传感器的固有频率可表示为
2.56t gE fr p 2 2 R 3 (1 )
式中, ρ――膜片材料的密度； g――重力加速度。 结构简单、体积小、使用方便， 光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，
其精度就要受到影响。
返
回
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The most commonly used type of fiberoptic sensor is an intensity sensor, where light intensity is modulated by an external stimulus
光纤传感器强度调制
非 干 涉 型
光纤传感器偏振调制
光纤传感器频率调制
注：MM——多模光纤；SM——单模光纤；PM——偏振保持光纤
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光纤传感器原理及应用课件
光纤通过全反射原理传递 光信号，具有低衰减、低 色散等优点。
光的干涉与衍射
光纤中光的干涉与衍射现 象可用于传感和调制。
光纤传感器的原理
光纤传感器通过检测光纤中光信号的 变化来感知外界物理量的变化。
外界物理量如温度、压力、磁场等作 用于光纤，导致光纤中光信号的相位 、频率、强度等发生变化，从而感知 外界物理量的变化。
水质监测
光纤传感器可用于监测水体中的化学 物质、温度、浊度和流速等参数，确 保水质安全和生态平衡。
医疗领域
生物医学
光纤传感器可以用于监测生物体内的生理参数，如血压、血氧饱和度和体温等 ，为医疗诊断和治疗提供重要信息。
光学成像
光纤传感器结合光学成像技术，可用于内窥镜、显微镜等领域，提高医疗诊断 的准确性和效率。
光纤传感器原理及应用课件
目 录
• 光纤传感器原理 • 光纤传感器的应用领域 • 光纤传感器的优势与挑战 • 光纤传感器的发展趋势与前景 • 实际应用案例分析
01
光纤传感器原理
光纤的结构与特性
01
02
03
光纤的结构
光纤由中心纤芯、包层和 涂覆层组成，具有低损耗 、高透明度、高带宽等特 性。
光的全反射
成本较高
光纤传感器制造工艺复杂，导致其成 本相对较高。
小型化与集成化难度大
实现小型化与集成化的光纤传感器制 造技术有待突破。
交叉敏感问题
部分光纤传感器可能对不同参数敏感 ，导致测量结果不准确。
04
光纤传感器的发展趋势与 前景
技术创新
光纤传感器的技术不断创新，以 提高其灵敏度、精度和稳定性。
新型光纤材料和制造工艺的应用 ，将进一步优化光纤传感器的性
光纤压力传感器在石油工业中主要用于监测井下压力，具有高精度和高可靠性的特点。它们能够实时传输数据， 帮助工程师及时了解井下情况，优化开采过程，提高石油产量。
光的干涉与衍射
光纤中光的干涉与衍射现 象可用于传感和调制。
光纤传感器的原理
光纤传感器通过检测光纤中光信号的 变化来感知外界物理量的变化。
外界物理量如温度、压力、磁场等作 用于光纤，导致光纤中光信号的相位 、频率、强度等发生变化，从而感知 外界物理量的变化。
水质监测
光纤传感器可用于监测水体中的化学 物质、温度、浊度和流速等参数，确 保水质安全和生态平衡。
医疗领域
生物医学
光纤传感器可以用于监测生物体内的生理参数，如血压、血氧饱和度和体温等 ，为医疗诊断和治疗提供重要信息。
光学成像
光纤传感器结合光学成像技术，可用于内窥镜、显微镜等领域，提高医疗诊断 的准确性和效率。
光纤传感器原理及应用课件
目 录
• 光纤传感器原理 • 光纤传感器的应用领域 • 光纤传感器的优势与挑战 • 光纤传感器的发展趋势与前景 • 实际应用案例分析
01
光纤传感器原理
光纤的结构与特性
01
02
03
光纤的结构
光纤由中心纤芯、包层和 涂覆层组成，具有低损耗 、高透明度、高带宽等特 性。
光的全反射
成本较高
光纤传感器制造工艺复杂，导致其成 本相对较高。
小型化与集成化难度大
实现小型化与集成化的光纤传感器制 造技术有待突破。
交叉敏感问题
部分光纤传感器可能对不同参数敏感 ，导致测量结果不准确。
04
光纤传感器的发展趋势与 前景
技术创新
光纤传感器的技术不断创新，以 提高其灵敏度、精度和稳定性。
新型光纤材料和制造工艺的应用 ，将进一步优化光纤传感器的性
光纤压力传感器在石油工业中主要用于监测井下压力，具有高精度和高可靠性的特点。它们能够实时传输数据， 帮助工程师及时了解井下情况，优化开采过程，提高石油产量。
《光纤传感器》PPT课件
芯中央开场向外随径向距离增加而逐渐减小,而在包层中折射
率保持不变。
阶跃折射率光纤
渐变折射率光纤
n (r)
n (r)
纤芯
n 1
n 2
折射率分布
包层
r (a )
r (b )
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：折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线那么逐步降 低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。
siin n n 1 0 1 n n 1 2sirn 2 n 1 0 n 1 2 n 2 2s2 in r
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
siinn1 2n2 2si2n r
当θr=90º的临界状态时，θi=θi0
〔2〕 按传播模式的多少分类
单模光纤:通常是指阶跃型光纤中的纤芯尺寸很小(通常 仅几微米)、光纤传播的模式很少、原那么上只能传送一种 模式的光纤(通常是芯径很小的低损耗光纤)。这类光纤传输 性能好(常用于干预型传感器),制成的传感器较多模传感器有 更好的线性、更高的灵敏度和动态测量范围。但单模光纤由 于纤芯太小、制造、连接和耦合都很困难。
3. 传播损耗
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。传播损耗〔单位为dB〕
Aa l 10g1I0 I
l—光纤长度； a—单位长度的衰减； I0—光导纤维输入端光强； I—光导纤维输出端光强。
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。
光的全反射
当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界面的夹角将 相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这
《光纤传感器》课件
频率调制型
通过外界物理量的变化引起光 纤中光的频率变化，从而实现 对外部参数的测量。
相位调制型
通过外界物理量的变化引起光 纤中光的相位变化，从而实现
对外部参数的测量。
光纤传感器的应用领域
工业自动化
用于监测温度、压力、流量、液位等参数， 实现工业过程的自动化控制。
环境监测
用于监测环境中的温度、湿度、压力、气体 浓度等参数，实现环境监测和治理。
光纤传感器在高温、低温或温度变化环境下保持性能的能力。高温度适应性传感器能够在更宽的温度范围内正常 工作，适用于各种恶劣环境。
湿度适应性
光纤传感器在潮湿、干燥或湿度变化环境下保持性能的能力。高湿度适应性传感器能够在更宽的湿度范围内正常 工作，适用于各种环境湿度条件。
05
光纤传感器的发展趋势与挑战
新材料与新技术的应用
光纤传感器
目录
• 光纤传感器概述 • 光纤传感器的技术原理 • 光纤传感器的设计与制造 • 光纤传感器的性能指标 • 光纤传感器的发展趋势与挑战 • 光纤传感器案例分析
01
光纤传感器概述
定义与工作原理
定义
光纤传感器是一种利用光纤作为敏感元件的传感器，能够检测和测量物理量、 化学量和生物量等参数。
新材料
新型光纤材料如掺铒光纤、光子晶体光纤等，具有更高的非线性效应和增益特性，提高了光纤传感器 的性能。
新技术
量子点、纳米线等新型纳米材料的应用，提高了光纤传感器的灵敏度和分辨率。
集成化与小型化的发展趋势
集成化
将多个光纤传感器集成在同一根光纤上，实现多参数、多维度的测量，提高了测量效率 和精度。
小型化
光纤压力传感器的应用案例
总结词
光纤压力传感器在石油、化工、航空航天等 领域有重要应用。
《光纤传感器 》课件
通过化学气相沉积等方法 制备出光纤预制棒，作为 光纤制造的原材料。
拉丝工艺
将光纤预制棒加热软化后 ，通过拉丝机拉制成连续 的光纤。
涂覆与保护
在拉制出的光纤表面涂覆 一层保护涂层，以提高光 纤的机械强度和耐腐蚀性 。
光纤传感器的封装工艺
光纤光栅封装
光纤传感器的密封与保护
将光纤光栅粘贴在特定的封装基底上 ，并使用环氧树脂等材料进行固定和 保护。
光纤传感器的应用领域。
光纤传感器的小型化与集成化
总结词
光纤传感器正朝着小型化与集成化的方向发展，以满 足现代科技领域对传感器尺寸和集成度的要求。
详细描述
随着微纳加工技术和光子集成技术的不断发展，光纤 传感器的小型化与集成化成为可能。小型化的光纤传 感器具有更小的体积和更高的可靠性，集成化的光纤 传感器则能够实现多个传感功能的集成，提高系统的 集成度和智能化程度。
光纤传感器的优点与局限性
优点
高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可 在恶劣环境下工作、可远程测量等。
局限性
对温度、压力、位移等物理量的测量 可能会受到其他因素的干扰，如弯曲 、振动等；同时，光纤传感器成本较 高，限制了其在某些领域的应用。
03
CHAPTER
光纤传感器的制造工艺
光纤的制备
01
02
03
预制棒制备
光纤传感器
目录
CONTENTS
• 光纤传感器概述 • 光纤传感器的技术原理 • 光纤传感器的制造工艺 • 光纤传感器在各领域的应用 • 光纤传感器的发展趋势与挑战 • 案例分析：光纤传感器在石油工业中的应用
01
CHAPTER
光纤传感器概述
定义与工作原理
定义
光纤传感器是一种利用光纤作为敏感元件的传感器，能够检 测和测量物理量（如温度、压力、位移等）的变化。
拉丝工艺
将光纤预制棒加热软化后 ，通过拉丝机拉制成连续 的光纤。
涂覆与保护
在拉制出的光纤表面涂覆 一层保护涂层，以提高光 纤的机械强度和耐腐蚀性 。
光纤传感器的封装工艺
光纤光栅封装
光纤传感器的密封与保护
将光纤光栅粘贴在特定的封装基底上 ，并使用环氧树脂等材料进行固定和 保护。
光纤传感器的应用领域。
光纤传感器的小型化与集成化
总结词
光纤传感器正朝着小型化与集成化的方向发展，以满 足现代科技领域对传感器尺寸和集成度的要求。
详细描述
随着微纳加工技术和光子集成技术的不断发展，光纤 传感器的小型化与集成化成为可能。小型化的光纤传 感器具有更小的体积和更高的可靠性，集成化的光纤 传感器则能够实现多个传感功能的集成，提高系统的 集成度和智能化程度。
光纤传感器的优点与局限性
优点
高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可 在恶劣环境下工作、可远程测量等。
局限性
对温度、压力、位移等物理量的测量 可能会受到其他因素的干扰，如弯曲 、振动等；同时，光纤传感器成本较 高，限制了其在某些领域的应用。
03
CHAPTER
光纤传感器的制造工艺
光纤的制备
01
02
03
预制棒制备
光纤传感器
目录
CONTENTS
• 光纤传感器概述 • 光纤传感器的技术原理 • 光纤传感器的制造工艺 • 光纤传感器在各领域的应用 • 光纤传感器的发展趋势与挑战 • 案例分析：光纤传感器在石油工业中的应用
01
CHAPTER
光纤传感器概述
定义与工作原理
定义
光纤传感器是一种利用光纤作为敏感元件的传感器，能够检 测和测量物理量（如温度、压力、位移等）的变化。
《光纤传感器》课件
光纤传感器的应 用：广泛应用于 航空航天、医疗、 工业等领域，如 光纤陀螺仪、光 纤温度传感器等
光的调制技术：通过改变光的强度、相位、频率等参数，实现对信息的编码和传 输
光纤传感器的工作原理：利用光的调制技术，将待测物理量转换为光信号，通过 光纤传输到接收端，进行检测和处理
光的调制技术在光纤传感器中的应用：通过光的调制技术，可以实现对温度、压 力、流量等物理量的高精度测量
工作原理：利用光纤对温度敏 感的特性进行测量
特点：精度高、响应速度快、 抗干扰能力强
应用实例：温度监测、温度控 制、温度补偿等
应用领域：广泛应用于工业、医疗、航空航天等领域 工作原理：通过光纤的折射率变化来测量压力 特点：高精度、高灵敏度、抗干扰能力强 应用实例：在飞机发动机、汽车发动机、液压系统中的应用
应用领域：广泛应 用于工业自动化、 机器人、航空航天 等领域
工作原理：利用光 纤的弹性和光学特 性，测量物体的位 移变化
特点：精度高、 响应速度快、抗 干扰能力强
实例：在汽车制造、 机械加工、电子设 备等领域的应用
应用领域：广泛应 用于石油、化工、 食品、医药等行业
工作原理：利用光 纤的折射率变化来 测量液位
提高灵敏度：通过优化光纤结构和材料，提高传感器的灵敏度 降低成本：通过优化生产工艺和材料选择，降低传感器的生产成本 提高稳定性：通过优化传感器设计和材料选择，提高传感器的稳定性和可靠性 提高兼容性：通过优化传感器设计和材料选择，提高传感器与其他设备的兼容性和互操作性
应用领域：工业、医疗、科研 等领域
量测量
应用领域：化 工、环保、食 品、医药等行
业
工作原理：利 用光纤对光的 敏感性，检测 液体或气体的
浓度
传感与测试技术-光纤传感器ppt课件
磁阻位移传感器
运用
磁敏感器：以地球磁场为基准，测量航天器姿 态的敏感器。磁强计本身是用来测量空间环境 中磁场强度的。由于地球周围每一点的磁场强 度都可以由地球磁场模型事先确定，因此利用 航天器上的磁强计测得的信息与之对比便可以 确定出航天器相对于地球磁场的姿态。
热敏传感器〔半导体）
热敏传感器：半导体温度传感器，由金属氧化 物(MnO2 、 CuO 、 TiO2)的粉末按一定比例混 合烧结而成，具有很大的负温度系数。电阻-温 度的关系为
成像系统组成
CCD Camera
Filters
Lens
UV/UwVh/iwtehiteepeipi illumilliunmatiinoantion
Sample
UV/white transillumination
CCD传感器的应用
组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工 件损伤、自动焦点等。
用作光学信息处理装置的输入环节，例如 传真技术。光学文字识别技术(OCR)与图 像识别技术、光谱测量及空间遥感技术、 机器人视觉技术等。
磁敏传感器
霍尔元件 ：利用霍尔效应的半导体磁电转换 元件。
霍尔效应：金属或半导体薄片置于磁场中， 当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方 向上将产生电动势。
霍尔效应
B
b FE
FL v
l
d
I VH
霍尔电势
VHkBIB sin
霍尔效应演示
霍尔元件
基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件， 霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件越 薄(d越小)，kH就越大，薄膜霍尔元件厚度只有 1μm左右。
利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光 纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传〞和“感 〞合为一体的传感器。传感器中的光纤是连续 的。
第6章 光纤传感技术ppt课件
12
①2a1 光纤端面球透n镜2 耦合
② 柱透镜耦合(n最1 大2an 约50%γ左2 右)
2a3
③ 凸透镜耦合(一n2 般在25a0%c 左右2a2 )
2a1
④
自聚焦光纤n1 (一般2an 在50%θγ1左右γ)3
S拆开点d
γn
r
激光器
自聚焦透镜θ
圆锥形光纤（透镜）耦合
光纤
2an 光纤
端z 面球R透镜耦合示意
引言
光纤技术理论的不断完善，光纤制造工艺的日臻 成熟，各种类型的光纤元器件逐步商品化，为光纤传 感技术的发展奠定了理论基础和物质基础。
由于光纤有良好的传输光的特性(衰减系数已达到 0.14dB/km)，有比微波高6个数量级的宽频带，再加上 光纤本身就是一种敏感元件，光在光纤中传输时振幅 、相位、偏振态等将随着检测对象的变化而变化，因 此，光纤可以用于制作优良的传感器。
1）直接耦合 所谓直接耦合，就
是把一根平端面的光纤 直接靠近光源发光面放 置。一般耦合效率大约 为20%。
S 2θc
2θ
S—光源 θ—光源发光张角 θc—光纤接收角
光纤与光源直接耦合
.
02.05.2020
11
2）透镜耦合 透镜耦合方法可以提高耦合效率，也可能不提高,
这里有一个耦合效率准则概念。 对于lambet型光源(例如发光二级管)，不管中间加
什么样的系统，它的耦合效率不会超过一个极大值:
maxSf /SeNA2
当发光面积Se大于光纤接收面积Sf 时，加任何光学 系统都没有用，最大耦合效率可以用直接耦合的办法得
到。当发光面积小于光纤接收面积时，加上光学系统是
有用的，可以提高耦合效率，而且发光面积越小，耦合
传感器(第6版) PPT课件第7章
第二节 光电器件
一、热探测器 原理及特点：基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的传感器， 它的突出优点是能够接收超低能量的光子，具有宽广和平坦的光谱响应， 尤其适用于红外的探测。 种类：测辐射热电偶、测辐射热敏电阻和热释电探测器。 1、测辐射热电偶 与常规热电偶相似，只是在电偶的一个接头上增加光吸收涂层，当 有光线照射到涂层上，电偶接头的温度随之升高，造成温差电势。 2、测辐射热敏电阻 用热敏电阻代替了热电偶，当有光线照射到涂层上，首先引起温度 的变化，热敏电阻再将温度转化为电阻值的变化。
第一节 光源
四、激光器 激光产生的过程： ➢某 些 物 质 的 分 子 、 原 子 、 离 子 吸 收 外 界 特 定 能 量 （ 如 特 定 频 率 的 辐 射），从低能级跃迁到高能级上（受激吸收）； ➢如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就形成了粒子数反 转，在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射 出与激发光子频率相同的光子（受激发射）； ➢由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述现象称为 光的受激辐射放大。 ➢具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
传 感 器（第6版）
哈尔滨工业大学 唐文彦 主编
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
第七章 光电式传感器
第一节 光源 第二节 光电器件 第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件 第四节 光纤传感器 第五节 光栅式传感器 第六节 激光式传感器
返回主目录
第七章 光电式传感器
波长300—380nm称为近紫外线 波长200—300nm称为远紫外线 波长10—200nm称为极远紫外线
第一节 光源
红外线：波长780—106nm 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线。
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②多模光纤：光纤性能差，带宽较窄，制造容易，连接耦合 方便
（3）色散：在光纤中产生的脉冲展宽现象
表征光纤传输特性的一个重要参数，在光纤通讯中反映传输
带宽，影响通讯信息的容量和质量。光纤色散的种类：▲▲
①多模色散
②材料色散和波导结构色散
（4）光纤强度：主要取决于材料纯度、结构状态、光纤包层
被拉制后外套表面的擦伤和其他缺陷的程度，以及包层表面
E Asint
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。
12
2、光纤传感器的分类
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
电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移
SM、PM
a
SM、PM
a
SM、PM
a
SM、PM
a
干涉
温度
SM、PM
a
遮光板遮断光路
sini0 n12 n22
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
sini0 n1 2 Δ=(n1-n2)/n1称为相对折射率差
当θr=90º时
sinθi0=NA
θi0=arcsin NA
当θr>90º时，光线发生全反射，则 θi<θi0=arcsin NA
3
当θr=90º时，θi仍＜90º，此时，
出射光线沿界面传播如图，称为 临界状态。这时有
sinθr＝sin90º＝1
n2
θr
n1 θi
临界状态示意图
sinθi0=n2/n1 θi0=arcsin(n2/n1)
n2
θr
n1 θi
光全反射示意图
式中：θi0——临界角
当θi＞θi0并继续增大时，θr＞90º，这时便发生全反射
畸变，以及光纤弯曲处的辐射损耗等, 它表示 光强度相对衰减与光纤长度的关系。
A 10 lg pi l p0
单位：每千米分贝（dB/km）
9
（2）光纤模式：是光波沿光纤传播的途径和方式。 阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量可简单的表示为：
1
V d (n12 n22 ) 2 / 0
①单模光纤：传输性能好，制成的传感器线性好、灵敏度高
5
光纤的分类：▲▲ （1）按折射率变化分：阶跃型光纤、渐变型光 纤 （2）按传播模式分：单模光纤、多模光纤 （3）按传播用途分：闪烁光纤、被覆光纤、光 谱光纤、图像传输光纤、保偏光纤。
6
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
1、斯乃尔定理（Snell's Law）
当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，
如图，其折射角大于入射角，即n1＞n2时，θr＞θi。
n1、n2、θr、θi之间的数学关系为
n1sinθi=n2sinθr
可见，入射角θi增大时，折射角 θr也随之增大，且始终θr＞θi。
n2
θr
n1 θi
光的折射示意图
各种装饰性光导纤维
1
发光二极管 产生多种颜 色的光线， 通过光导纤 维传导到东 方明珠球体 的表面。在 计算机控制 下，可产生 动态图案。
上海东方明 珠
2
一、光导纤维导光的基本原理
光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基 本原理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而 折射率变化缓慢的空间,可以用“光线”即几何光学的方 法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的多模光纤是完 全适用的。为此, 采用几何光学的方法来分析。
当θr<90º时，sinθi>NA，θi>arcsin NA，光线消失。
结论：arcsinNA是一临界角,凡入射角θi＞arcsinNA的
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。8
4、光纤的主要参数
（1）传播损耗 光纤纤芯材料和包层物质的吸收、散射、
现象，如图，其出射光不再折射而全部反射回来。 4
2、光纤结构
光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯(纤芯)和玻璃包皮(包 层)两个同心圆柱的双层结构以及护套组成。
光纤结构
纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤 心折射率n1比包层折射率n2稍大些．两层之间形成良好 的光学界面，光线在这个界面上反射传播。
n1 n0
1 sin 2 K2sin in1 n0
1
n2 n1
sin r
1
n0
n12 n22 sin 2 r
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=17 时
sini n12 n22 sin2 r
当θr=90º的临界状态时，θi=θi0
光发送器
光纤 敏感元件 光接收器
（b）光纤传感器
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。 11
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
在缠绕、成缆和使用期间得到的保护程度。
10
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。见图(a)。 光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号 的装置。见图(b)。
信号处理
电源 导线
信号接收
敏感元件
（a）传统传感器
信号处理
n0sinθi=n1sinθj
n1sinθk=n2sinθr
sinθi=(n1/n0)sinθj sinθk=(n2/n1)sinθr 因θj=90º－θk 所以
n0 Oθi B
A
E
C θr
θj
θk
D
K G n2
F
O
n1
光纤导光示意图
sin i
n1 n0
sin(90 k )
n1 n0
cos K
（3）色散：在光纤中产生的脉冲展宽现象
表征光纤传输特性的一个重要参数，在光纤通讯中反映传输
带宽，影响通讯信息的容量和质量。光纤色散的种类：▲▲
①多模色散
②材料色散和波导结构色散
（4）光纤强度：主要取决于材料纯度、结构状态、光纤包层
被拉制后外套表面的擦伤和其他缺陷的程度，以及包层表面
E Asint
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。
12
2、光纤传感器的分类
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
电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移
SM、PM
a
SM、PM
a
SM、PM
a
SM、PM
a
干涉
温度
SM、PM
a
遮光板遮断光路
sini0 n12 n22
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
sini0 n1 2 Δ=(n1-n2)/n1称为相对折射率差
当θr=90º时
sinθi0=NA
θi0=arcsin NA
当θr>90º时，光线发生全反射，则 θi<θi0=arcsin NA
3
当θr=90º时，θi仍＜90º，此时，
出射光线沿界面传播如图，称为 临界状态。这时有
sinθr＝sin90º＝1
n2
θr
n1 θi
临界状态示意图
sinθi0=n2/n1 θi0=arcsin(n2/n1)
n2
θr
n1 θi
光全反射示意图
式中：θi0——临界角
当θi＞θi0并继续增大时，θr＞90º，这时便发生全反射
畸变，以及光纤弯曲处的辐射损耗等, 它表示 光强度相对衰减与光纤长度的关系。
A 10 lg pi l p0
单位：每千米分贝（dB/km）
9
（2）光纤模式：是光波沿光纤传播的途径和方式。 阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量可简单的表示为：
1
V d (n12 n22 ) 2 / 0
①单模光纤：传输性能好，制成的传感器线性好、灵敏度高
5
光纤的分类：▲▲ （1）按折射率变化分：阶跃型光纤、渐变型光 纤 （2）按传播模式分：单模光纤、多模光纤 （3）按传播用途分：闪烁光纤、被覆光纤、光 谱光纤、图像传输光纤、保偏光纤。
6
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
1、斯乃尔定理（Snell's Law）
当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，
如图，其折射角大于入射角，即n1＞n2时，θr＞θi。
n1、n2、θr、θi之间的数学关系为
n1sinθi=n2sinθr
可见，入射角θi增大时，折射角 θr也随之增大，且始终θr＞θi。
n2
θr
n1 θi
光的折射示意图
各种装饰性光导纤维
1
发光二极管 产生多种颜 色的光线， 通过光导纤 维传导到东 方明珠球体 的表面。在 计算机控制 下，可产生 动态图案。
上海东方明 珠
2
一、光导纤维导光的基本原理
光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基 本原理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而 折射率变化缓慢的空间,可以用“光线”即几何光学的方 法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的多模光纤是完 全适用的。为此, 采用几何光学的方法来分析。
当θr<90º时，sinθi>NA，θi>arcsin NA，光线消失。
结论：arcsinNA是一临界角,凡入射角θi＞arcsinNA的
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。8
4、光纤的主要参数
（1）传播损耗 光纤纤芯材料和包层物质的吸收、散射、
现象，如图，其出射光不再折射而全部反射回来。 4
2、光纤结构
光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯(纤芯)和玻璃包皮(包 层)两个同心圆柱的双层结构以及护套组成。
光纤结构
纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤 心折射率n1比包层折射率n2稍大些．两层之间形成良好 的光学界面，光线在这个界面上反射传播。
n1 n0
1 sin 2 K2sin in1 n0
1
n2 n1
sin r
1
n0
n12 n22 sin 2 r
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=17 时
sini n12 n22 sin2 r
当θr=90º的临界状态时，θi=θi0
光发送器
光纤 敏感元件 光接收器
（b）光纤传感器
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。 11
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
在缠绕、成缆和使用期间得到的保护程度。
10
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。见图(a)。 光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号 的装置。见图(b)。
信号处理
电源 导线
信号接收
敏感元件
（a）传统传感器
信号处理
n0sinθi=n1sinθj
n1sinθk=n2sinθr
sinθi=(n1/n0)sinθj sinθk=(n2/n1)sinθr 因θj=90º－θk 所以
n0 Oθi B
A
E
C θr
θj
θk
D
K G n2
F
O
n1
光纤导光示意图
sin i
n1 n0
sin(90 k )
n1 n0
cos K