光纤传感检测技术与系统

• 其他器件：
– 光纤分路器、耦合器等 19
光纤传感器的优点
（1）抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全。由于光纤传感器是利用光波传输 信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，因而不怕强电磁干扰，也不影响 外界的电磁场，并且安全可靠； （2）灵敏度高。利用长光纤和光波干涉技术使不少光纤传感器的灵敏度优于一般 的传感器。如测量水声、加速度、辐射、温度、磁场等物理量的光纤传感器； （3）重量轻，体积小，外形可变。光纤除具有重量轻、体积小的特点外，还有可 挠的优点，因此利用光纤可制成外形各异、尺寸不同的各种光纤传感器； （4）测量对象广泛。目前已有性能不同的测量温度、压力、位移、速度、加速度 、液面、流量、振动、水声、电流、电场、磁场、电压、杂质含量、浓度、核辐 射等各物理量、化学量的光纤传感器在现场使用； （5）对被测介质影响小，这对于医药生物领域的应用极为有利； （6）便于复用，便于成网。有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络 （物联网）； （7）成本低。
数值孔径一般为： N A 0 .2 0 .4
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光纤分类
根据光纤的折射率、光纤材料、传输模式、光纤用 途和制造工艺，有如下几种分类方法：
1．阶跃型和梯度型光纤
n(r) n1 n2
O
r
n(r) n1 n2
O
r
(a)(b)Fra bibliotek11光纤分类
根据光纤的折射率、光纤材料、传输模式、光纤用 途和制造工艺，有如下几种分类方法： 1．阶跃型和梯度型光纤
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7.2 光纤传感检测原理
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光纤传感器的定义
光纤不仅可以作为光波的传播媒质，而且光波在光纤中传播时，表征光 波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压 力、磁场、电场、位移、转动…）的作用而间接或直接地发生变化，根据 变化的特征参数可测量出引起这个变化的各种外界因素。
根据此工作原理研制出来的传感器就是光纤传感器。
n12 n22 N A 参考轴
•只要在2θc张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若 入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。
•NA反映了光纤的集光能力；一般NA越大集光能力越强， 光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，
要选择适当。
•产品光纤不给出折射率N只给数值孔径NA，石英光纤的
点。
1
光纤传感器的特点:
• 灵敏度高 • 电绝缘性能好 • 抗电磁干扰 • 耐腐蚀、耐高温 • 体积小、重量轻
光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液 位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电 压、磁场等物理量
2
光电检测技术与系统
1. 光纤基础理论 2. 光纤传感检测原理 3. 光纤传感技术应用
光纤传感检测技术与系统
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概述
•
光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世
纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型
传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，
它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器
用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信
息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特
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7.1 光纤基础理论
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光纤的结构
光纤是光导纤维的简称，它是工作在光波波段
的一种介质波导。光纤的结构如图所示，它由折射率
n1较大(光密介质)的纤芯和折射率n2较小(光疏介质) 的包层构成的双层同心圆柱结构。（n1＞n2）
保护套(一般有两层)
纤芯n1
包层n2
光纤的基本结构
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6
光纤传光原理 1、斯乃尔定理（Snell's Law）
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4．按用途分类 (1)通信光纤
用于光通信系统，实际使用中大多使用光缆（多根 光纤组成的线缆），是光通信的主要传光介质。
(2)非通信光纤 这类光纤有低双折射光纤、高双折射光纤、涂层光 纤、液芯光纤和多模梯度光纤等几类。
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光纤发展与动态
1966年高锟博士提出光纤传输的理论（2009年获诺贝尔物理学奖） 1969年日本平板玻璃公司制出200dB/Km梯度光纤 1970年美国康宁公司制出世界第一根20dB/Km低损耗光纤 1972年日本电子技术综合研究所制出7dB/Km 二氧化硅芯光纤 1973年美国贝尔实验室用化学沉积法（CVD）制光纤 1978年对1.5µm光传输接通理论值约0.2dB/Km 1980年光通信产业形成
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2．按材料分类
(1) 高纯度石英(SiO2)玻璃纤维； (2) 多组分玻璃光纤； (3) 塑料光纤。
3．按传输模数分类
(1)单模光纤 单模光纤纤芯直径仅有几微米(9-10μm)，接近光的波长。单模光纤通常 是指跃变光纤中，内芯尺寸很小，光纤传输模数很少，原则上只能传送一 种模数的光纤，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；但因内芯尺寸小，难以制造和耦合。 (2)多模光纤 多模光纤纤芯直径约为50μm，纤芯直径远大于光的波长。通常是指跃 变光纤中，内芯尺寸较大，传输模数很多的光纤。这类光纤性能较差，带 宽较窄；但由于芯子的截面积大，容易制造、连接耦合比较方便，也得到 了广泛应用。
入射光波
光纤——光波传播的媒质
入射光波的特征参量： 振幅、相位、偏振态、波长、频率等
出射光波
外界因素：
温度、压力、电
场、位移等
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光纤传感器所用器件
• 光源：
• 要求体积小、功率大、波长合适、工作稳定
– 激光器二极管、发光二极管、白炽灯等
• 光电元件（光探测器）：
• 要求灵敏度好、响应快、线性好
– 光电二极管、雪崩光电二极管 – 肖特基光电二极管、光电晶体管
θ1 1
n1
n0 sin0 n1 sin1 n1 cos1
产生全反射的最大入射角由斯乃尔定理得：
sin 1

n2 n1


sin
0

n1 n0
cos 1
sin
0

1 n0
n12 n22
9
3、数值孔径（Numerical Aperture)
sin c

1 n0
sin c

n2 n1
(2

90
)
2、光纤导光原理
光纤的传播基于光的全反射原理。当光线在光
纤端面入射角1增大到某一角度 c时，光线全
部反射。 光线全部被反射时的入射角c称临界角，只要
1 >c，光在纤芯和包层界面上经若干次全反
射向前传播，最后从另一端面射出。
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参考轴
n2
参考轴 θ0
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模的概念
• 沿光纤传输的光可以分解为沿轴向和沿截面的两个 平面波成分；
• 如果沿截面传输的波在纤芯和包层之间产生全反射， 且每一往复传输的相位变化是2π的正数倍，就会形成 驻波；
• 只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤的光波 才能在光纤中传播，这些光波称为模。
单模光纤：只能传一种模式的光 多模光纤：允许不同光束在一条光纤上传输
当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质 时，界面处光的传输满足折射定理：
n1 sin1 n2 sin2 (n1 n2 )
n2
2
n1 1 参考轴
(a)光的折射示意图
n2
2
n1 1
参考轴
(b)临界状态示意图
n2
2
n1 1 参考轴
(c)光全反射示意图
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全反射时的临界角满足：