任务9 光纤式传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（重庆大学版）

任务9 光纤式传感器 任务导航 光纤式传感器是20世纪70年代中期迅速发展起来的一种新型传感器，它是光纤和光通信技术迅速发展的产物。它以光学测量为基础，把被测量的变量状态转换为可测的光信号；但与常规传感器把被测量的变量状态转变为可测的电信号不同。光纤传感器作为一个新的技术领域，将不断改变传感器的面貌，并在各个领域获得广泛应用。 学习目标 1.知识目标 （1）知道光纤式传感器的原理结构及种类； （2）了解光的传输原理； （3）掌握光导纤维传感器的类型； （4）掌握功能型光纤传感器，非功能型光纤传感器； （5）了解光纤式传感器的应用。 2.能力目标 （1）会正确操作传感器与检测技术综合实验台； （2）会对实验数据进行分析； （3）按操作规程进行操作，具有安全操作意识； （4）会计算传感器的非线性误差及灵敏度； （5）能够正确按照电路要求对光纤式传感器模块等进行正确接线，并调试； （6）完成实验报告。 任务9 光纤式传感器 9.1 光导纤维(光纤) 9.2 强度型(振幅型)光纤传感器 9.3 干涉型光纤传感器 9.1 光导纤维(光纤) 光纤传感器具有如下优点: (1) 与其他传感器相比,它具有很高的灵敏度。 (2) 频带宽动态范围大。 (3) 可根据实际需要做成各种形状。 (4) 可以用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器,这些物理量包括声场、磁场、压力、温度、加速度、转动(陀螺)、位移、液位、流量、电流、辐射等等。 (5)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 (6)可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境。 (7）结构简单、体积小、重量轻、耗能少。 9.1.1 光纤的结构 光纤的结构如图9.1所示。中心圆柱体,称为纤芯,由某种类型的玻璃或塑料制成。环绕纤芯的是一层圆柱形套层,称为包层,由特性与纤芯略有不同的玻璃或塑料制成。纤芯的折射率略大于包层的折射率。最外面通常由一层护套包覆。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的光学性能,而纤芯的强度则由护套来维持。护套通常由塑料制成。 图9.1 光纤的结构 9.1.2 光在光纤中的传播 光在光纤中传播的基本原理可以用光线或光波的概念来描述。光线的概念是一个简便的近似的方法,可以用它来导出一些重要概念,如全内反射概念、光线截留的概念等。然而,要进一步研究光的传播理论,光是射线理论就不够了,必须借助波动理论。即要考虑到光是电磁波动现象以及光纤是圆柱形介质波导等,才能研究光在圆柱波导中允许存在的传播模式,并导出经常要提到的波导参数(V值)等概念。 下面先从光线在层状介质中的传播,来讨论光在光纤中传播的基本原理。当光纤的直径比光的波长大得多时,可以用几何光学的方法讨论光在光纤中的传播。根据斯涅尔定律,光线在两种不同介质的分界面上会产生折射现象,折射定律为 n1sinα=n2sinβ 式中,α、β分别为入射角和折射角,如图9.2所示。n1和n2分别为介质1和介质2的折射率(介质的折射率定义为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)。 图9.2 光线在两种不同介质分界面上的折射 图9.3表示光在光纤中传播的原理。根据全内反射原理,设计光纤纤芯的折射率n1要大于包层的折射率n2。图中所示的两根光线,其中一根代表掠射角(入射角的余角)θ>θc（临界角）的一些光线。这些光线由于从纤芯折射到包层中,不能传播很远。另外一根代表掠射角θ<θc（临界角）的一些光线。这些光线每当光入射到纤芯-包层分界面时,都发生全反射,所以这些光线一直被截留在光纤中,在界面上产生多次的全内反射,以锯齿形的路线在纤芯中传播。在理想情况下,将无损耗地通过光纤纤芯传输,直到它到达光纤的端面为止。 图9.3 光在光纤中传输 9.1.3 光纤的几个重要参数 1.数值孔径(NA) 数值孔径是反映纤芯接收光量的多少,标志光纤接收性能的一个重要参数。定义为:光从空气入射到光纤输入端面时,处在某一角锥内的光线一旦进入光纤,就将被截留在纤芯中,此光锥半角(θ)的正弦称为数值孔径。可导出 式中,n1为纤芯折射率,n2为包层折射率。 数值孔径的意义是无论光源发射功率有多大,只有2θ张角之内的光功率被光纤接受传播。一般希望光纤有大的数值孔径,这有利于耦合效率的提高。但数值孔径大,光信号将产生大的“模色散”,入射光能分布在许多个模式中,各模式的速度不同,导致各个能量分量到达光纤远端的时间不同,信号将发生严重畸变,所以要适当选择。典型的光纤θ≈10°。 2