第八章光纤传感器.ppt
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1、第8章 光纤传感器,宁夏大学 机械工程学院,本章学习要求:,1.掌握传感器工作原理全反射 2.掌握光纤传感器的性能参数、种类、特点 3.了解传感器的应用光纤涡流流量计,8.1 光导纤维及其传光原理,光纤是一种光信号的传输媒介。 光纤的结构:最内层的纤芯是一种截面积很小、质地脆、易断裂的光导纤维,制造材料可以是石英、玻璃或塑料。纤芯的外层由折射率比纤芯小的材料制成。 由于纤芯与包层之间存在着折射率的差异,光信号得以通过全反射在纤芯中不断向前传播。光纤的最外层是起保护作用的外套。通常是将多根光纤扎成束并裹以保护层制成多芯光缆。,一、光纤结构和种类,光纤的种类: 1)按纤芯和包层的材质:玻璃光纤、塑
2、料光纤。 2)按折射率的变化:阶跃型、渐变型(聚焦光纤)。 3)按传播模式:单模光纤、多模光纤。,单模光纤直径较小,只能传输一种模式。其优点是:信号畸变小、信息容量大、线性好、灵敏度高;缺点:纤芯较小,制造、连接、耦合较困难。 多模光纤直径较大,传输模式不只一种。其缺点是:性能较差。优点:纤芯面积较大,制造、连接、耦合容易。,光纤传输的优点: 1)频带宽:光纤支持很宽的带宽(10141015 HZ),覆盖了红外线 和可见光的频谱。 2)速率高:单模光纤的传输速率能达到几Gb/s。 3)抗干扰能力强:抗电磁干扰能力强,且光束本身又不向外辐射,适用于长距离的信息传输及安全性要求较高的场合。 4)光
3、纤衰减较小,中继器的间距较大。 光纤的缺点:系统成本较高、不易安装与维护、易断裂等。,二、光导纤维传光的基本原理,1、斯乃尔定理(Snells Law)(折射定律),可见,入射角a增大时,折射角b也随之增大,且始终a b。,n1、n2、a、b之间的数学关系为,n1sina=n2sinb,当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射,如图(a),其折射角大于入射角,即n1n2时,ba。,当b=90时,a仍90,此时,出射光线沿界面传播如图(b),称为临界状态。这时有,光进入纤芯在纤芯和包层的界面发生全反射,全反射是光纤传光的基础。,sinbsin901,sin ac =n2/n1,ac =
4、arcsin(n2/n1),ac临界角,当a ac并继续增大时,b90,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。,2、光纤结构及传光原理,分析光纤导光原理,除了应用斯乃尔定理外还须结合光纤结构来说明。光纤呈圆柱形,它由玻璃纤维芯和玻璃包层两个同心圆柱的双层结构组成。,纤芯位于光纤的中心部位,光主要在这里传输。纤芯折射率n1比包层折射率n2稍大些两层之间形成良好的光学界面,光线在这个界面上反射传播。,3、光纤的数值孔径NA,光纤的孔径角:当光照射光纤的端面时,光纤端面的临界入射角 2c。表示光纤能接收光的范围。为圆锥角,sinc定义为光纤的数值孔径,用NA (Nume
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