5.3光纤传感器(课件）《传感器检测技术》同步教学（机械工业出版社）

4.4 光纤传感器 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了新的光学技术，创造了光电子学的新天地(领域)。 光纤传感器始于1977年，把待测量与光纤内的导光联系起来就形成光纤传感器。 光纤压力传感器 高速光纤温度传感器 1 光纤是？？ 光导纤维是指能导光的纤维，通常由折射率高的纤芯及折射率低的包层组成，这两部分对传输的光具有极高的透过率。 目前应用的光纤是以SiO2为主要原料的纤维，其纤芯芯径为数µm到数百µm。光线进入光纤在纤芯与包层的界面发生多次全反射，将载带的信息从一端传到另一端，从而实现光纤通信。 2 8根光纤(每根光纤的直径只有一根头发丝粗)却足以给2000万人带来他们所需要的带宽。一条光缆每秒可以输送3.2太位(Terabit)数据，完成从英国到美国来回7600英里的旅程仅需0.00072秒。 3 光纤传感器的应用 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。 测量对象：电流磁场、电压电场、温度、速度、振动、压力、射线、图像… … 4 光纤传感解决方案 1、生命科学 A、核磁共振和射频环境下患者温度监控。 在磁共振，射频消解和体温过高处理中提供精确温度监控。 对电磁，射频，磁共振和电子干涉完全免疫。 5 光纤温度传感器 OTG-M170光纤温度传感器的直径是170um，它是最小的光纤温度传感器，响应时间为10ms。 在医疗工业要求中，精度可达到± 0.3°C，满量程温度范围+20°C到80°C。 B、心血管血压监控：微小和末端感应光纤传压力感器是制作心血管血液压力导尿管的理想传感器。 C、头颅，隔膜的动态压力测量等 6 2、电力行业 光纤传感器是开关设备和其它高电压器件（如母线）的温度上升，高温循环测试的理想选择。光纤传感器耐高温，对电磁/射频，高电压和电子干扰完全免疫。 7 4.4 光纤传感器 4.4.1 光导纤维的结构和导光原理 4.4.2 光导纤维的主要参数 4.4.3 光纤传感器结构原理 4.4.4 光纤传感器的分类 4.4.5 光纤传感器的特点 4.4.6 光纤传感器的应用 上一页 下一页 返 回 8 4.4.1 光导纤维的结构和导光原理 圆柱形内芯和包层组成，内芯的折射率略大于包层的折射率 上一页 下一页 返 回 纤芯 包层 外套 9 斯乃尔定理 当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射 （a）折射角大于入射角： （b）临界状态： （c）全反射 ： 上一页 下一页 返 回 10 (a)光的折射示意图 可见，入射角1增大时，折射角2也随之增大，且始终2 ＞ 1 。 n1 n2 1 2 n1sin 1 =n2sin 2 当2 =90º时，1仍＜90º，此时，出射光线沿界面传播如图（b），称为临界状态（ 1→ 10 ）。这时有 n1 n2 (b) 临界状态示意图 2 1 10=arcsin(n2/n1) sin 10=n2/n1 sin 2 ＝sin90º＝1 临界角 11 n1 n2 (c) 光全反射示意图 1 2 当1 ＞i0并继续增大时，2 ＞90º，这时便发生全反射现象，如图(c) ，其出射光不再折射而全部反射回来。 n1 n2 n0 光纤传光示意图 0 1 1 12 光纤导光 上一页 下一页 返 回 13 n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n0≈1 14 当θr =90°的临界状态时， 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。 上一页 下一页 返 回 Sinθi定义为“数值孔径”NA（Numerical Aperture） 15 4.4.2 光导纤维的主要参数和分类 1. 数值孔径（NA） 2. 光纤模式 3. 传播损耗 4. 光纤的分类 上一页 下一页 返 回 上一页 下一页 返 回 16 1. 数值孔径（NA） 反映纤芯接收光量的多少，标志光纤的接收性能。 意义：无论光源发射功率有多大，只有入射角处于2θi的光椎角内，光纤才能导光。 上一页 下一页 返 回 17 如入射角过大， 光线便从包层逸出而产生漏光。 光纤的NA越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，因为大的数值孔径：有利于光纤的聚光能力，有利于光源和光纤之间耦合效率的提高。 如石英光纤数值孔径0.2≤NA≤0.4。 18 2. 光纤模式 光波沿光导纤维传播的途径和方式 在光导纤