光纤传感器模板

•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级1AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/261第10章光纤传感器•10.1光纤传感器的原理结构及种类•10.2光的传输原理•10.3光导纤维传感器的类型•10.4功能型光纤传感器•10.5非功能型光纤传感器•10.6光纤传感器的应用•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级2AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/262•光纤即光导纤维是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成新的光学技术，创造了光电子学新领域。光纤的出现产生了光纤通讯技术，特别是光纤在有线通讯网的优势越来越突出，它为人类21世纪的通讯基础------信息高速公路奠定了基础，为多媒体（符号、数字、语言、图形和动态图象）通信提供了实现的必须条件。•光纤传感器始于1977年，经过数十年的研究，光纤传感器取得了十分重要的进展，对军事、航天航空技术和生命科学等的发展起着十分重要的作用。•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级3AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/263光纤传感器的特点1.具有很高的灵敏度。2.频带宽动态范围大。3.光纤直径只有几微米到几百微米；抗拉强度为铜的17倍。而且光纤柔软性好，可根据实际需要作好各种形状，深入到机器内部或人体弯曲的内脏等常规传感器不宜到达的部位进行检测。4.测量范围很大，如测量物理量有：声场、磁场、压力、温度、加速度、转动、位移、液位、流量、电流、辐射等。•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级4AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/2645.抗电磁干扰能力强。光纤主要由绝缘材料组成，工作时利用光子传输信息，不怕电磁场干扰；光波易于屏蔽，外界光的干扰也很难进入光纤。6.光纤集传感与信号传输于一体，利用它很容易构成分布式传感测量，便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测和控制。7.可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境。8.结构简单、体积小、质量轻、耗能少。10.1光纤传感器的原理结构及种类•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级5AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/26510.1光纤传感器的原理结构及种类•10.1.1光纤传感器的原理•光纤传感器由光发送器、敏感元件、光接收器、信号处理系统及光导纤维等主要部分组成。•光纤传感系统的基本原理是：光纤中光波参数（如光强、频率、波长、相位以及偏振态等）随外界被测参数的变化而变化，所以，可通过检测光纤中光波参数的变化以达到检测外界被测物理量的目的。•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级6AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/266•10-1光纤传感器构成示意图•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级7AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/267•10.1.2光纤的结构•光纤是一种传输光信息的导光纤维，主要由高强度石英玻璃、常规玻璃和塑料制成。•光纤由纤芯、包层、护套组成。•光主要在纤芯中传输，光纤的导光能力主要取决于纤芯和包层的折射率，纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2，典型数值是n1=1.46—1.51，n2=1.44---1.50.•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级8AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/268图10-1由纤芯、包层及外套组成的光纤的结构示意图•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级9AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/2692R2rn2n1nn2n1纤芯包层光纤结构•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级10AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/2610•10.1.3光纤的种类•光纤按纤芯和包层材料性质分类，有玻璃光纤和塑料光纤两大类；按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型；按传播模式的多少分为单模光纤和多模光纤；按用途分为通信光纤和非通信光纤。10.1光纤传感器的原理结构及种类•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级11AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/2611•1、按纤芯和包层材料性质分类，有玻璃光纤和塑料光纤两大类•1）高纯度石英（sio2）玻璃纤维，这种材料的光损耗比较小。•2）多组分玻璃纤维，用常规玻璃制成，损耗较小。•3）塑料光纤，用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但质量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级12AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/2612•2、按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型•1）阶跃型光纤（折射率固定不变）：指纤芯和包层折射率不连续的光纤。•2）梯度型光纤（纤芯折射率近似呈平方分布）：在中心轴上折射率最大，沿径向逐渐变小，界面处n1=n2，n1的分布大多按抛物线规律，采用梯度折射率光纤时，光射入光纤后会自动从界面向轴心会聚，故也称为自聚焦光纤。•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级13AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/2613图10-3光纤的种类和光传播形式•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级14AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/2614•3、按传播模式的多少分为单模光纤和多模光纤光波，本质上是一种电磁波，在纤芯内传播的光波，可以分解为沿轴向和截面传输的两种平面波成分。沿截面传输的平面波将会在纤芯与包层的界面处产生反射。如果此波的每一个往复传输（入射和反射）的相位变化是360°的整数倍时，就可以在截面内形成驻波，这样的驻波光线组又称为模。只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤的光，才能在光纤内传播，在光纤内只能传输一定数量的模。当光纤直径很小（一般为5---10微米），只能传播一个模时，这样的光纤称为单模光纤；光纤直径较大（通常为几十微米以上），能传播几百个以上的模时，这样的光纤被称为多模光纤。•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级15AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/2615•每一个允许传播的波称为模式；只能传播一个光线模式的光纤称为单模光纤；能传播许多光线模式的光纤称为多模光纤；传播速度最快的模称为基模。•单模光纤、多模光纤是当前光纤通信中技术上最常用的光纤类型，统称为普通光纤维。10.1光纤传感器的原理结构及种类•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级16AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/2616•4、按用途分为通信光纤和非通信光纤•通信光纤：用于光通讯系统。实际使用中大多使用光缆，即多根光纤组成的线缆。•非通信光纤：指特殊用途的非通讯光纤，主要有低双折射率光纤、高双折射率光纤、涂层光纤、多模梯度光纤、激光光纤、红外光纤。10.1光纤传感器的原理结构及种类•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级17AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/261710.2光的传输原理•10.2.1光的全反射定律•光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。•折射率：光线在真空中的传播速度与光线在该介质中的传播速度之比。介质的折射率越高，则光线在该介质中传播得越慢。•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级18AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/261810.2光的传输原理图10-4光线在临界面上发生的内反射示意图•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级19AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/2619•10.2.2光纤的传光原理图10-5阶跃型多模光纤光线的传播10.2光的传输原理•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级20AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/26203、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10.2光的传输原理•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级21AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/2621n0sinθi=n1sinθjn1sinθk=n2sinθrsinθi=(n1/n0)sinθjsinθk=(n2/n1)sinθr因θj=90º－θk所以θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1光纤导光示意图KKkinnnnnn2010101sin1cos)90sin(sinrrinnnnnnn22221021201sin1sin1sin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•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级22AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/2622上式sinθi0为“数值孔径”NA(NumericalAperture)。由于n1与n2相差较小，即n1+n2≈2n1,故又可因式分解为rinn22221sinsin22210sinnni2sin10niΔ=(n1-n2)/n1称为相对折射率差当θr=90º的临界状态时，θi=θi0•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级23AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/2623当θr90º时，sinθiNA，θiarcsinNA，光线消失。这说明arcsinNA是一临界角,凡入射角θi＞arcsinNA的那些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当θr=90º时当θr90º时，光线发生全反射，则sinθi0=NAθi0=arcsinNAθiθi0=arcsinNA•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级24AnhuiScienceandTechnologyUniversity数理与信息工程学院2020/2/262410.3光导纤维传感器的类型•10.3.1光纤传感器的分类•1．按测量对象分类：分为光纤温度传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、