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1、河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系光纖傳感器一、光纖的結(jié)構(gòu)二、光在光纖中的傳光原理三、光纖的類型四、光纖傳感器的應(yīng)用一、光纖的結(jié)構(gòu)包層的折射率n2略低于纖芯的折射率n1各種裝飾性光導(dǎo)纖維二、光在光纖中的傳光原理1、光的反射、折射：當一束光線以一定的入射角θ1從介質(zhì)1射到介質(zhì)2的分界面上時，一部分能量反射回原介質(zhì)；另一部分能量則透過分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播。2、光的全反射：當增大入射角時，進入介質(zhì)2的折射光與分界面的夾角將相應(yīng)增大，將導(dǎo)致折射波只能在介質(zhì)分界面上傳播。對這個極限值時的入射角，定義為臨界角θ0。當入射角大于θ0時，入射光線將發(fā)生全反射。AB當時

2、，光能夠沿光纖的內(nèi)壁由光纖的一端傳到另一端.稱為光學(xué)纖維的數(shù)值孔徑，用NA表示，它決定了可經(jīng)光學(xué)纖維傳遞的光束的入射角.只有入射角小于θi的光束才能在光纖中傳輸。對A、B兩個界面分別用折射定律（分析臨界狀態(tài)）可得出：no≈1，光進入光學(xué)纖維后,多次在內(nèi)壁上發(fā)生全內(nèi)反射,光從纖維的一端傳向另一端.光學(xué)纖維:中央折射率大,表層折射率小的透明細玻璃絲.光導(dǎo)纖維的傳光原理三、光纖的類型階躍型：光纖纖芯的折射率分布各點均勻一致，稱為多模光纖。梯度型：梯度型光纖的的折射率呈聚焦型，即在軸線上折射率最大，離開軸線則逐步降低，至纖芯區(qū)的邊沿時，降低到與包層區(qū)一樣。單孔型光

3、纖單孔型光纖的纖芯直徑較?。〝?shù)微米）接近于被傳輸光波的波長，光以電磁場“模”的原理在纖芯中傳導(dǎo)，能量損失很小，適宜于遠距離傳輸。四、光纖傳感器的分類光纖傳感器是一種把被測量轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y光信號的裝置，由光發(fā)送器、敏感元件(光纖或非光纖)、光接收器、信號處理系統(tǒng)及光纖構(gòu)成。光發(fā)送器發(fā)生的光經(jīng)入射光纖引導(dǎo)到敏感元件，在這里，光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制。已調(diào)光經(jīng)出射光纖耦合到光接收器，使光信號變成電信號，再經(jīng)信號處理，得到被測量的值。光纖傳感器的分類方法很多，可按光纖在傳感器中的作用、光參量調(diào)制種類、所應(yīng)用的光學(xué)效應(yīng)和檢測的物理量分類。按光纖在傳感器中的作用，可分

4、為功能型、非功能型和拾光型三大類。信號處理光受信器光纖敏感元件光發(fā)送器功能型光纖（FF型）在功能型(FF)光纖傳感器中，光纖既是光信號的傳輸通路，又是把被測量轉(zhuǎn)換為光信號的敏感元件。光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制，也稱元件型，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高，但對光纖和檢測的要求也高，成本較高。在非功能型(NF)光纖傳感器中，光纖僅作傳光通路，被測量通過非光纖敏感元件對光進行調(diào)制，也稱傳輸型。NF型較易實現(xiàn)，成本低，但靈敏度也低。信號處理光受信器敏感元件光發(fā)送器光纖非功能型光纖（NF型）在拾光型(天線型)光纖傳感器中，光纖作為探頭，接收由被測對象輻射或被其反射、散射的光

5、，如天線型位移傳感器。拾光型實質(zhì)上也屬NF型。信號處理光受信器光發(fā)送器光纖耦合器拾光型光纖圖a中光纖的內(nèi)芯直徑和折射率隨溫度變化，使光纖中傳播的光由于路徑不均勻而向外散射，導(dǎo)致光的振幅變化；1、FF型光纖溫度傳感器圖c是利用單模光纖的長度、折射率和內(nèi)芯直徑隨溫度變化，而使光纖中傳播的光產(chǎn)生相位變化，通過干涉儀測得其振幅變化，從而達到測溫目的。四、光纖傳感器的應(yīng)用圖b是利用單模光纖中的極化面隨溫度變化而旋轉(zhuǎn)，通過檢光板得到振幅的變化，以測量溫度的傳感器；FF型光纖溫度傳感器a)調(diào)幅型b)極化面旋轉(zhuǎn)型c)調(diào)相型1—多模或單模光纖2—單模光纖3—極化面旋轉(zhuǎn)4—檢

6、光板5—相位變化6—參照光保護管內(nèi)為高溫光纖低溫光纖光纖溫度傳感器利用彈性體的受壓變形，將壓力信號轉(zhuǎn)換成位移信號，從而對光強進行調(diào)制。因此，只要設(shè)計好合理的彈性元件及結(jié)構(gòu)，就可以實現(xiàn)壓力的檢測。下圖為簡單的利用Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器。在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當膜片受壓變形時，使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化，從而使輸出光強受到調(diào)制。膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖光源接收121Y形光纖束2殼片3膜片3P2、光纖壓力傳感器FF型光纖位移傳感器如右圖所示。其中，圖a是由于光纖的長度和周徑變化引起光在光纖中傳播相位發(fā)生變化，它與參考光纖中相位未

7、變化的光發(fā)生干涉，根據(jù)干涉光的強度實現(xiàn)位移檢測。圖b是把位移轉(zhuǎn)換成光纖的彎曲，導(dǎo)致光纖損耗增加，從而改變輸出光的強度。FF型光纖位移傳感器a)調(diào)幅型b)調(diào)相型3、光纖位移傳感器1）FF型光纖位移傳感器2）天線型光纖位移傳感器它是利用Y型光纖來傳送和接收信號。一束為入射光纖，把光源發(fā)出的光線傳送到端部，發(fā)射到被測物體上；另一束為出射光纖把被測物體反射的光接收并傳送到光敏元件上。由于出射光通量隨傳感器端部與被測物體之間的距離變化而變化，通過檢測與光敏元件輸出的電量，便可測得傳感器與被測物體間的位移。根據(jù)光纖導(dǎo)光原理可知，當探頭與被測物體相距某一距離時，出射光通

8、量最大，而探頭緊貼被測物體或遠離被測物體時，其輸出為零。光纖位移測