基本结构如图所示.ppt

* 4.4 光纤传感器 §4.4.1 元件型光纤传感器 §4.4.2 传输型光纤传感器 * 一、光纤 1、光纤（Optical Fiber）是由纯石英拉制的而成的高度透明的玻璃丝。常用的通信光纤为降低传输损耗均由三部分组成：纤芯、包层、表面涂层，并且纤芯折射率略高于包层折射率。 2、光纤种类非常多，分类标准也不同 ： 1）按材料种类分，常见有三种：全石英光纤、塑包石英光纤、全塑光纤 2）按折射率径向分布的不同，光纤可分为：阶跃折射率分布光纤和渐变折射率分布光纤。如图所示。 a b 纤芯 包层 涂层 2a 2b n1 n2 n0 r 2a 2b n1 n2 n0 r * 折射光到达纤芯——包层界面时，若入射角大于临界角?c时，将发生全反射，若包层折射率为n2，则定义为 3、光纤的导光原理 1）阶跃折射率分布光纤的射线理论 光纤的导光原理可用射线理论与导波理论两种方法进行分析。 右图为光波在阶跃折射率分布光纤中的传播路径。 所有? ?c的光线都将被限制在光纤芯中，这就是光纤导光的基本原理。 n2 n1 n0 θi ?r 光纤的一个外特性参量是光纤的数值孔径(Numerical Aperture)，它代表了光纤的集光能力： NA = n0sin?i = n1cos?c = (n12-n22)2 在光纤技术中常引用相对折射率差 φ * 2）利用导波理论可将光纤分为多模光纤与单模光纤。 因此NA近似的可表示为： NA数值孔径代表光纤的集光能力，只取决于折射率，而与光纤的芯径无关。这个结论在一般的多模光纤中是正确的。但当光纤芯径降到一定值时，此时射线理论不能解释可能产生的干涉现象，数值孔径的概念实际不存在。因此在单模光纤中不用数值孔径的概念。有时是为了形象比较而借用此名称，但并不直接表征接收角的大小。 多模光纤的纤芯直径2a = 50μm ，单模光纤的纤芯直径2a = 8 ~12μm，包层直径均为50μm。在多模光纤中，可以激励起大量的传输模式，不同模式在横向的功率分布是不同的，入射的光功率按一定比例分配给这些模式进行传播，不同模式在轴向的传播常数不同。在单模光纤中，通常只能激励起一个模式，称为基模。 3）光纤的两个重要特性：损耗特性和色散特性 * * §4.4.1 元件型光纤传感器 一、微弯损耗光纤传感器 基于微弯损耗机理的强度调制型传感器的结构如图所示 。传感光纤被夹在一个变形器中，变形器具有一定的变形函数，当外力使变形器的上下两部分靠近，则光纤将会按照变形器的变形函数形状发生弯曲变形，光纤中传输光产生损耗。因此由光纤中光功率的数值可得到诸如压力、位移等被测量的大小。 光输入 光输出 变形器 多模光纤 L Λ 微弯损耗光纤传感器原理 * 设光纤的微弯变形函数为正弦型 式中D(t) ——外界信号导致的弯曲幅度； q ——空间频率； z ——变形点到光纤入射端的距离； 设光纤微弯变形函数的微弯周期为T，则有 根据光纤模式理论，可得到微弯损耗系数 的近似表达式: * 式中 ——比例系数； ——光纤中产生微弯变形的长度； ——光纤中光波传播常数差； 式表明，?与光纤弯曲幅度D(t)的平方成正比，弯曲幅度越大，模式耦合越严重，损耗就越高。 ?还与光纤弯曲变形的长度成正比，作用长度越长，损耗也越大。 ?与光纤微弯周期有关，当 时产生谐振，微弯损耗最大。因此，从获得最高灵敏度的角度考虑，需要选择合适的微弯周期。 * 二、干涉式光纤传感器 对上式微分得： 式中，第一项表示光纤长度变化引起的相位差（应变效应或热胀效应），第二项为光纤折射率变化引起的相位差（光弹效应或热光效应），第三项为光纤芯径变化引起的相位差（泊松效应）。 对调制在相位中的信号需要进行解调，用于光相位解调的干涉结构有多种，如双光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法及环形干涉法等，此处主要介绍双光束干涉法。 光波通过长度为 的光纤，其相位延迟为 其中?为光波在光纤中的传播常数，?＝nk0 * 光源 探测器 信号臂 参考臂 3dB (a) 迈克尔逊干涉仪 双光束光纤干涉仪有迈克尔逊(Michlson)干涉仪、马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪及斐索(Fizeau)干涉仪，基本结构如图所示。 在迈克尔逊干涉仪中，光源发射光经3dB光纤耦合器被分成功率相等的两部分，分别进入信号臂光纤与参考臂光纤，然后分别被端面的反射镜反射回各自的光纤中，在信号臂光纤中传输的光波相位被调制，在参考臂光纤中传输的光波相位与外界无关。被反射回来的光波在3