传感器技术第九章光纤传感器
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n1 n2 sin i 1 ( sin r ) 2 n0 n1 1 n0
2 n12 n2 sin 2 r
n0为入射光AB所在空间的折射率，一般为空气n0≈1，则：
2 sin i n12 n 2 sin 2 r
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当θr =90°的临界状态时Leabharlann Baidu对应的入射角为：
传播常数： 2n 2 0
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。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。所以也称为传光型传感 器．或混合型传感器。
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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
2r NA /
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 光纤传输模的总数:
N 2 2 N 4
2
阶跃型 渐变型
单模光纤：V<2.405 普通单模光纤：n1-n2/n1~310-3 r=2~4m 多模光纤：r=25~60m 包层半径b125 m
第九章 光纤传感器
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
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各种装饰性光导纤维
光纤传感器外形
9.1 光纤传感器基础
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。
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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
光纤的结构
涂覆层 包层 纤芯
护套
斯乃尔定理
当光由光密物质n1出射至光疏物质n2时发生折射
（a）折射角θr大于入射角θi： n1 sin i n2 sin r （b）临界状态入射角θi0 ： i0 arcsin(n2 / n1 ) （c）全反射 ： i i
0
光纤导光:
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：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。
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(b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器
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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）
NA sin i 0 n1 n2
2 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 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。
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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。 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。
辐射式光纤温度传感器
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9.2 光调制与解调技术
光的电矢量E： 光就是一种横波，
E B sin(t )
9.1.2 光纤的特性
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。
Pi 10 a lg 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。 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。
n0 sin i n1 sin j
n1 sin k n2 sin r
sin i (n1 / n0 ) sin j
j 90 k
n1 n1 sin i (n1 / n0 ) sin(90 k ) cos k 1 sin 2 k n0 n0
sin i0 n n
2 1
2 2
Sinθi0定义为 “数值孔径” NA（Numerical Aperture）
NA sin i0 n1 2
其中： (n1 n2 ) / n1 arcsinNA是一个临界角，
i0 arcsin NA
相对折射率差
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。
2 n12 n2 sin 2 r
n0为入射光AB所在空间的折射率，一般为空气n0≈1，则：
2 sin i n12 n 2 sin 2 r
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当θr =90°的临界状态时Leabharlann Baidu对应的入射角为：
传播常数： 2n 2 0
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。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。所以也称为传光型传感 器．或混合型传感器。
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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
2r NA /
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 光纤传输模的总数:
N 2 2 N 4
2
阶跃型 渐变型
单模光纤：V<2.405 普通单模光纤：n1-n2/n1~310-3 r=2~4m 多模光纤：r=25~60m 包层半径b125 m
第九章 光纤传感器
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各种装饰性光导纤维
光纤传感器外形
9.1 光纤传感器基础
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。
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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
光纤的结构
涂覆层 包层 纤芯
护套
斯乃尔定理
当光由光密物质n1出射至光疏物质n2时发生折射
（a）折射角θr大于入射角θi： n1 sin i n2 sin r （b）临界状态入射角θi0 ： i0 arcsin(n2 / n1 ) （c）全反射 ： i i
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光纤导光:
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：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。
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(b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器
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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）
NA sin i 0 n1 n2
2 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 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。
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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。 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。
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9.2 光调制与解调技术
光的电矢量E： 光就是一种横波，
E B sin(t )
9.1.2 光纤的特性
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。
Pi 10 a lg 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。 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。
n0 sin i n1 sin j
n1 sin k n2 sin r
sin i (n1 / n0 ) sin j
j 90 k
n1 n1 sin i (n1 / n0 ) sin(90 k ) cos k 1 sin 2 k n0 n0
sin i0 n n
2 1
2 2
Sinθi0定义为 “数值孔径” NA（Numerical Aperture）
NA sin i0 n1 2
其中： (n1 n2 ) / n1 arcsinNA是一个临界角，
i0 arcsin NA
相对折射率差
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。