第7章上课用 光纤传感器 (有第7章复习题)
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第四节 光 纤 传 感 器
一、
光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术, 它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。
光纤传感器的优点：不受电磁干扰,电绝缘性能好；体积 小, 重量轻, 可挠曲, 灵敏度高, 耐腐蚀, 易与微机连接, 容易实 现对被测信号的远距离监控，便于遥测等。
二、光 纤 传 感 器的基本原理和用途
就射不出光纤的纤芯。光线在纤芯和包层的界面上不断地产生 全反射而向前传播，光就能从光纤的一端以光速传播到另一端， 这就是光纤传光的基本原理。
由上图，可以求出从空气中射入光纤端面的光线能够发生全反射
的入射角满足
，由于
得到光线被“束缚”在光纤里面传播的条件是：
其中
称为光纤的“数值孔径” （计算题： P161的第8题）
3．光纤的种类 （2）按光纤的传播模式来分类 根据传输“模”数的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。
什么是光纤的传播模式
光纤传输的光波，可以分解为沿轴向传播和沿径向传播的两 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 的整2倍数时，将形成驻波。 形成驻波的光线组称为“模”；即一定纤芯和材料的光纤只能 传输有限个“模”的光。
四、光纤传感器
在光通讯系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的 媒质。显然，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界干 扰越小越好。
但是，在实际的光传输过程中，光纤会受到外界因素 的影响，例如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引 起光纤光波参数如光强、相位、频率、、波长等的变化。 因此，如果能测出上述光波参数的变化，就可以知道导致 光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感 技术。光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。
涅尔定律得
sinc
n2 n1
临界角仅与介质的 折射率的比值有关
当入射角 ＞1 时c ，光线不会透过其界面，而全部反射到光密物
质内部，也就是说光被全反射。根据这个原理，如图所示，只 要使光线射入光纤端面的光与光轴的夹角 小于0 一定值，则入射
到光纤纤芯和包层界面的 角就满1 足小于临界角 的条件，c 光线
单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长。其折射率分布均 为阶跃型。单模光纤原则上只能传送一种模数的光，常用于光 纤传感器。这类光纤传输性能好，频带很宽，具有较好的线性 度；但因芯小，难以制造和耦合。
多模光纤允许多个模 数的光在光纤中同时 传播，通常纤芯直径 较大，达几十微米以 上。由于每一个“模” 光进入光纤的角度不 同，它们在光纤中走 的路径不同，因此它 们到达另一端点的时 间也不同，这种特征 称为模分散。特别是 阶跃折射率多模光纤， 模分散最严重。这限 制了多模光纤的带宽 和传输距离。
光纤传感器是利用光在光纤中传播特性的变化来测量它所 受环境的变化，即用被测量的变化来调制光纤中的光波，使 光纤中的光波参量（幅度、相位、频率）随被测量而变化， 从而得到被测信号大小。
用于压力、应变、位移、速度、加速度、流量、振动、 温度、电流、电压、磁场等各种物理量的测量, 具有极为广泛 的应用前景。
2、光纤的传光原理
光是沿着直线传播的。
当光纤的直径比光的波长大很多时, 可以用几何光学的方 法来说明光在光纤内的传播。
当满足一定条件时，光在光纤中的传输被限制在光纤中, 并随光纤能传送到很远的距离，光能够在光纤中的传输条件是： 光在光纤中发生全内反射：即，只有反射没有折射 。
全反射的条件
如图，根据几何光学理论，当 光线以某一较小的入射角 ，由
三、光 纤 传 感 器的基本知识 1
光纤是光导纤维的简称，形状一般为圆柱形，结构如下图所示。中心的圆 柱体叫纤芯, 围绕着纤芯的圆形外层叫做包层。纤芯和包层由不同掺杂的石英 玻璃制成。纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2 ；在包层外面还常有一层护 套, 多为尼龙材料。由护套维持光纤的机械强度。光纤的传光能力取决于纤芯 和包层的性质, 当满足一定条件时，光就被“束缚”在光纤里面传播。
（2）对于弯曲光纤：R—弯曲光纤曲率半径 d—光纤直径
R远大于4d时，仍能满足全反射条件，光纤传输损耗很小；
R小于4d时， 不满足全反射条件， 光纤传输损耗很大。
3．光纤的种类 （1）按折射率来分类
分为折射率阶跃型光纤和折射率梯度型光纤，如下图所示。
阶跃型光纤：纤芯和包层的折射率不连续，有突变。
梯度型光纤：又称渐变光纤，在中心轴上折射率最大，沿径向由中心向外呈 抛物线逐渐变小，纤芯和包层的交界处n1 = n2 。梯度型光纤是自聚焦光纤 （入射光线会自动从界面向轴心汇聚，但制造困难）
渐变折射率多模光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴 线开始沿径向大致按抛物线形成递减，中心轴折射率最大，因 此，光纤在纤芯中传播会自动地从折射率小的界面向中心会聚， 光纤传播的轨迹类似正弦波形，如图所示，具有光自聚焦效果， 故渐变折射率多模光纤又百度文库为自聚焦光纤。因此渐变折射率多 模光纤的模分散比阶跃型小得多。
1．功能型光纤传感器
如图，它利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤作传 感元件，将“传”和“感”合为一体。功能性光纤传感器中光 纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素的作用下，其 光学特性(光强、相位、频率、偏振态等)的变化来实现“传” 和“感”的功能。这类传感器主要使用单模光纤。
一般光纤所处环境为空气, 则n0=1
数值孔径NA的意义: 无论光源发射功率有多大, 只有入射光处于
2θc的角度范围内, 光纤才能导光。 如入射角过大,超过了该角度范围,
光线经折射后, 便会从包层逸出而产生漏光。NA是光纤的一个重要 参数。要适当选择数值孔径NA的值。
总结：光在光纤内传播的条件
（1）对于不弯曲光纤：在满足全反射的条件下，光线就能在纤芯和 包层的界面上不断地产生全反射，呈锯齿形路线在芯内向前传播，从 光纤的一端以光速传播到另一端。
折射1 率为n1的光密物质射向折 射率为n2的光疏物质(即n1＞n2)
时 ， 则 一 部 分 入 射 光 以 折 射 角 2 折射入光疏物质，其余部分以 角度反射回1 光密物质，根据折 射定律(斯涅尔定律)，光折射和 反射之间的关系为：
当光线的入射角 增1 大到某一角度 时，c 透射入光疏物质的折射 光则沿界面传播，即 ＝90°2 ，称此时的入射角 为临界c 角。由斯
一、
光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术, 它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。
光纤传感器的优点：不受电磁干扰,电绝缘性能好；体积 小, 重量轻, 可挠曲, 灵敏度高, 耐腐蚀, 易与微机连接, 容易实 现对被测信号的远距离监控，便于遥测等。
二、光 纤 传 感 器的基本原理和用途
就射不出光纤的纤芯。光线在纤芯和包层的界面上不断地产生 全反射而向前传播，光就能从光纤的一端以光速传播到另一端， 这就是光纤传光的基本原理。
由上图，可以求出从空气中射入光纤端面的光线能够发生全反射
的入射角满足
，由于
得到光线被“束缚”在光纤里面传播的条件是：
其中
称为光纤的“数值孔径” （计算题： P161的第8题）
3．光纤的种类 （2）按光纤的传播模式来分类 根据传输“模”数的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。
什么是光纤的传播模式
光纤传输的光波，可以分解为沿轴向传播和沿径向传播的两 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 的整2倍数时，将形成驻波。 形成驻波的光线组称为“模”；即一定纤芯和材料的光纤只能 传输有限个“模”的光。
四、光纤传感器
在光通讯系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的 媒质。显然，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界干 扰越小越好。
但是，在实际的光传输过程中，光纤会受到外界因素 的影响，例如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引 起光纤光波参数如光强、相位、频率、、波长等的变化。 因此，如果能测出上述光波参数的变化，就可以知道导致 光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感 技术。光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。
涅尔定律得
sinc
n2 n1
临界角仅与介质的 折射率的比值有关
当入射角 ＞1 时c ，光线不会透过其界面，而全部反射到光密物
质内部，也就是说光被全反射。根据这个原理，如图所示，只 要使光线射入光纤端面的光与光轴的夹角 小于0 一定值，则入射
到光纤纤芯和包层界面的 角就满1 足小于临界角 的条件，c 光线
单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长。其折射率分布均 为阶跃型。单模光纤原则上只能传送一种模数的光，常用于光 纤传感器。这类光纤传输性能好，频带很宽，具有较好的线性 度；但因芯小，难以制造和耦合。
多模光纤允许多个模 数的光在光纤中同时 传播，通常纤芯直径 较大，达几十微米以 上。由于每一个“模” 光进入光纤的角度不 同，它们在光纤中走 的路径不同，因此它 们到达另一端点的时 间也不同，这种特征 称为模分散。特别是 阶跃折射率多模光纤， 模分散最严重。这限 制了多模光纤的带宽 和传输距离。
光纤传感器是利用光在光纤中传播特性的变化来测量它所 受环境的变化，即用被测量的变化来调制光纤中的光波，使 光纤中的光波参量（幅度、相位、频率）随被测量而变化， 从而得到被测信号大小。
用于压力、应变、位移、速度、加速度、流量、振动、 温度、电流、电压、磁场等各种物理量的测量, 具有极为广泛 的应用前景。
2、光纤的传光原理
光是沿着直线传播的。
当光纤的直径比光的波长大很多时, 可以用几何光学的方 法来说明光在光纤内的传播。
当满足一定条件时，光在光纤中的传输被限制在光纤中, 并随光纤能传送到很远的距离，光能够在光纤中的传输条件是： 光在光纤中发生全内反射：即，只有反射没有折射 。
全反射的条件
如图，根据几何光学理论，当 光线以某一较小的入射角 ，由
三、光 纤 传 感 器的基本知识 1
光纤是光导纤维的简称，形状一般为圆柱形，结构如下图所示。中心的圆 柱体叫纤芯, 围绕着纤芯的圆形外层叫做包层。纤芯和包层由不同掺杂的石英 玻璃制成。纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2 ；在包层外面还常有一层护 套, 多为尼龙材料。由护套维持光纤的机械强度。光纤的传光能力取决于纤芯 和包层的性质, 当满足一定条件时，光就被“束缚”在光纤里面传播。
（2）对于弯曲光纤：R—弯曲光纤曲率半径 d—光纤直径
R远大于4d时，仍能满足全反射条件，光纤传输损耗很小；
R小于4d时， 不满足全反射条件， 光纤传输损耗很大。
3．光纤的种类 （1）按折射率来分类
分为折射率阶跃型光纤和折射率梯度型光纤，如下图所示。
阶跃型光纤：纤芯和包层的折射率不连续，有突变。
梯度型光纤：又称渐变光纤，在中心轴上折射率最大，沿径向由中心向外呈 抛物线逐渐变小，纤芯和包层的交界处n1 = n2 。梯度型光纤是自聚焦光纤 （入射光线会自动从界面向轴心汇聚，但制造困难）
渐变折射率多模光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴 线开始沿径向大致按抛物线形成递减，中心轴折射率最大，因 此，光纤在纤芯中传播会自动地从折射率小的界面向中心会聚， 光纤传播的轨迹类似正弦波形，如图所示，具有光自聚焦效果， 故渐变折射率多模光纤又百度文库为自聚焦光纤。因此渐变折射率多 模光纤的模分散比阶跃型小得多。
1．功能型光纤传感器
如图，它利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤作传 感元件，将“传”和“感”合为一体。功能性光纤传感器中光 纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素的作用下，其 光学特性(光强、相位、频率、偏振态等)的变化来实现“传” 和“感”的功能。这类传感器主要使用单模光纤。
一般光纤所处环境为空气, 则n0=1
数值孔径NA的意义: 无论光源发射功率有多大, 只有入射光处于
2θc的角度范围内, 光纤才能导光。 如入射角过大,超过了该角度范围,
光线经折射后, 便会从包层逸出而产生漏光。NA是光纤的一个重要 参数。要适当选择数值孔径NA的值。
总结：光在光纤内传播的条件
（1）对于不弯曲光纤：在满足全反射的条件下，光线就能在纤芯和 包层的界面上不断地产生全反射，呈锯齿形路线在芯内向前传播，从 光纤的一端以光速传播到另一端。
折射1 率为n1的光密物质射向折 射率为n2的光疏物质(即n1＞n2)
时 ， 则 一 部 分 入 射 光 以 折 射 角 2 折射入光疏物质，其余部分以 角度反射回1 光密物质，根据折 射定律(斯涅尔定律)，光折射和 反射之间的关系为：
当光线的入射角 增1 大到某一角度 时，c 透射入光疏物质的折射 光则沿界面传播，即 ＝90°2 ，称此时的入射角 为临界c 角。由斯