光纤传感器PPT课件

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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）
N Asini n12n2 2
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。 大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。 但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。
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
Aal10g1I0 传播损耗（单位为dB） I
式中, I——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。
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光纤传感器结构原理
把被测量的状态转变为可测的光信号的装置
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2. 光纤模式
光波沿光导纤维传播的途径和方式
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 式数量越少越好。
阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为
1
Vd(n12 n22)2 /。
希望V小：d不能太大，n2与n1之差很小
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3. 传播损耗
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光纤传感器的分类
传感器
光学现象
被测量
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光纤
分类
干
光纤传感器相位调制
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The basic idea for use of fiber optics in sensing is to modulate one or several characteristics of light in a fiber and, subsequently, to optically demodulate the information by conventional methods.
（a）折射角大于入射角：n1sini n2sinr （b）临界状态： i0 arcsn2i/nn1()
（c）全反射 ： i i0
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光纤导光
n0sini n1sinj n1sinkn2sinr
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sini (n1/n0)sinj j 90k
sii n (n 1 /n 0 )s9 i n 0 k ( ) n n 1 0co k s n n 1 01 s2 ik n
光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器， 使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。
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光纤传感器光学测量的基本原理
光就是一种电磁波，
光的电矢量E EBsi nt ()
被测量调制： 光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位 解调： 光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制
sin i
n1 n0
1 n0
1(
n2 n1
sin r
)2
n12 n22 sin2 r
n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n0≈1
sini n12n2 2si2nr
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当θr =90°的临界状态时，
sini0 n12n22
Sin θi定义为“数值孔径”NA（Numerical Aperture）
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the value is
called the numerical
aperture of the fiber
In practice, the numerical aperture is defined as the angle at which light intensity drops by some arbitrary number
sini0 n1 2
(n1n2)/n1 相对折射率差
arcsinNA是一个临界角， θi > arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失； θi < arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。
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where the effect of total internal reflection (TIR) is used. The angle of a total internal reflection is a function of the refractive index:
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Whenlight enters the fiber, it is important to determine the maximum angle of entry which will result in total internal reflections). If we take that minimum angle of an internal reflection, then the maximum angle can be found from Snell’s law
光纤传感器 optical fiber sensor
光纤传感优点：
灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制 成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不 同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件； 可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它 的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相 容性。
应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、 液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。
A stimulus may act on a fiber either directly or it can be applied to a component attached to the fiber’s outer surface or the polished end to produce an optically detectable signal
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光纤传感器
光导纤维的结构和导光原理 光导纤维的主要参数 光纤传感器结构原理 光纤传感器的分类 光纤传感器的特点 光纤传感器的应用
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光导纤维的结构和导光原理
圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略 大于包层的折射率
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斯乃尔定理
当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射