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第9章 光纤传感器及其应用

第9章 光纤传感器及其应用光纤传感器：将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参 数与进入调制区的光相互作用，导致光的光学性质(如光的强 度、波长、频率、相位等)发生变化，再经过光纤送入光探测 器，经解调后，获得被测参数。

优点：●灵敏度较高； ●几何形状具有良好的适应性，可制成任意形状的光纤传感器； ●可以传感各种不同物理信息(声、磁、温度、旋转等)的器件； ●抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温等恶劣环境。 ●容易实现对被测信号的远距离监控。

应用：磁、声、压力、温度、加速度、位移、液面、转矩、光声、电流 和应变等物理量的测量 。1

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9.1 光导纤维基本知识一、光导纤维结构和导光原理 光纤的结构如图所示。纤芯,由某种类型的玻璃或塑料 制成；包层,由特性与纤芯略有不同的玻璃或塑料制成 ●纤芯：石英玻璃，直径5 -75um,以二氧化硅为主， 掺杂微量元素； ●包层：直径100-200um, 也是玻璃，但折射率略低于 纤芯； ●涂敷层：硅酮，隔离杂光；

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在光纤中, 光的传输限制在光纤中, 并随光纤能传送到很远 的距离, 光纤的传输是基于光的全内反射。 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 n sin n sin 1 1 2 2

(a)折射角大于入射角：

(b)临界状态： 900 arcsin(n / n ) 2 c 2 1 (c)全反射 ： 1 c

1

2

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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。 掠射角(入射角的余角)θ>θc的光线:纤芯折射到包层中,不能传 播很远； 掠射角θ<θc(临界角)的光线：发生全反射包层 纤芯 n2 n1

> c

< c

′

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各种装饰性光导纤维

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二、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2 NA n12 n2

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2θc的 光椎角内，光纤才能导光。

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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。

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。

2. 传播模式根据电介质中电磁场的麦克斯韦方程，考虑到光纤圆柱形 波导和纤芯-包层界面处的几何边界条件，则只存在波动 方程的特定(离散)解。允许存在的不同的解代表许多离散 的沿波导轴传播的波。每一个允许传播的波称为一个模。实际中常用由麦克斯韦方程导出的归一化频率n作为确 定光纤传输模数的参数。n的值可以由纤芯半径r、 传 输光波波长l及光纤的数值孔径NA确定，即

V

2 a

0

(n n ) 2 1

1 2 2 2

2 a

0

( NA)

式中,a为纤芯半径,λ0为入射光在真空中的波长

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光纤V值越大,则光纤所能允许传输的模式(不同的离散波)

数越多。当V值低于2.404时,只允许一个波或模式在光纤中传输。即圆柱波导的“单模条件”是

2 a

0

( n12 n ) 2.404

1 2 2 2

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在光导纤维中传播模式很多对信息传输是不利的。因为同一光信号采取很多模式传播,就会使这一光信号分为不 同时间到达接收端的多个小信号,从而导致合成信号的畸 变。

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3.传播损耗 光在光纤的传播过程中由于材料的吸收、散射和弯 曲处的辐射损耗等的影响,不可避免地要有损耗。通常 用衰减率A表示传播损耗。

I1 10lg I0 A ( dB / km) l

式中,l为光纤长度,I0为输入端光强,I1为输出端光强。

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在一根衰减率为10dB/km的光纤中,当光传输1km后,光强将下降到入射光强的1/100,3dB/km衰减率相当于经 过1km后,光强减小到入射光强的一半(因为lg0.5=-0.3)。

目前传播损耗可达0.16dB/km。

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三、 光纤的类型1.按折射率变化类型分类

光纤的类型(折射率、传输模式) 1)按折射率 a)阶跃型 纤芯与包层的折射率是突变的； b)渐变型 纤芯中心处折射率最大，由中心向外 折射率逐渐变小到包层折射率。阶跃折射率光纤 n (r) n1 r 渐变折射率光纤 n (r) 纤芯 包层 折射率分布 r (b) n2

13

(a)

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2. 按传播模式分类

传输模式：光沿光纤传播的途径和方式。 单模光纤 指阶跃型光纤中，内芯直径很小，光纤的传播模式很少， 原则上只能传递一种模式的光纤。这类光纤传输性能好(常用于干涉型传感器),制成的传感 器较多模传感器有更好的线性、更高的灵敏度和动态测 量范围。但单模光纤由于纤芯太小、制造、连接和耦合 都很困难

第9章 光纤传感器

及其应用

多模光纤:通常是指阶跃光纤中纤芯尺寸较大(大部分为几十微米)、传播模式很多的光纤。这类光纤性能较差, 带宽较窄,但由于芯子的截面大,容易制造,连接耦合也比 较方便。这种光纤常用于强度型传感器。

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3.按用途分类 普通光纤:是指用于光纤通信的单模和多模光纤。 非通信光纤:是指特殊用途的非通信光纤。如低双折射率 光纤、高双折射率光纤、涂层光纤、激光光纤和红外光纤 等。 4、按材料： 玻璃光纤 塑料光纤

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9.2 光纤传感器的工作原理光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元件，直接 接收外界的被测量。被测量可引起光纤的长度、折 射率、直径等方面的变化，从而使得在光纤内传输 的光被调制。光纤-光波传播的媒质

入射光波

入射光波的特征参量： 振幅、相位、偏振态、效率等

出射光波

用被测量调制入射光波 的某一参数，使其随之 变化，然后对已调制的 外界因素：温度、压力、 光信号进行检测。应变、电场、位移等

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系统组成部件： 光发送器(LED、LD等) 光接收器(PD) 光纤耦合器：分路/合路器件 信号处理系统 光纤(a)

(b)

第9章 光纤传感器及其应用 光纤终端盒

尾纤，只有一端有连接头，而另一 端是一根光缆纤芯的断头，通过熔 接与其他光缆纤芯相连，常出现在 光纤终端盒内，用于连接光缆与光 纤收发器。

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光纤传感器分类： 非功能型光纤传感器：利用其它敏感组件感受被测量的变 化，光纤仅作为传输介质，传输来自远外或难以接近场所 的光信号，所以也称为传光型传感器或混合型传感器。 功能型光纤传感器：利用光纤本身的特性把光纤作为敏感 组件，所以也称传感型光纤传感器，或全光纤传感器； 光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为： 强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光 纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长(颜色)调制光纤传 感器。 光纤传感器可以探测的物理量很多，已实现的光纤传感器 所测量的物理量达70余种。

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一、强度调制型光纤传感器 待测物理量引起光纤中的传输光强变化，通过检测

光强的变化实现对待测量的测量 。ISS光源 入 射光

IDt

Ii

信 号 强度调制区

出射光 I o 探测器D

ID

t

Iit

IOt

光源强度为Ii→传感头→被测信号的作用使强度发生变化(受到 了外场的调制) →输出光强I0的包络线与被测信号的形状一样 →信号处理电路再检测出调制信号，就得到了被测信号

。21

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