KC04030205-m03光纤传感器的选型

1、教 案任务二 生产线中物料的位移检测教师姓名授课形式授课时数授课日期授课班级班 月 日 第 周（周 ）第 节知识点教学目标知识点：光纤传感器的选型【知识目标】1. 掌握光纤的重要参数。2. 了解光纤传感器的选型依据。【能力目标】1能够根据需要合理选择传感器。2具备问题分析与数据处理的能力。【素质目标】1具备与工作伙伴的沟通交流能力，具备团队工作、协调能力。2具备善于观察、学习和思考，系统分析解决问题的能力。成员间的沟通、协调能力。教学重点教学难点【教学重点】1. 掌握光纤的重要参数。2. 了解光纤传感器的选择依据。【教学难点】掌握光纤的重要参数。使用教具传感器检测实训室、电脑、投影仪等。课外作

2、业备 注授课主要内容或板书设计1、 光纤传感器的结构光纤传感器一般由光发送器、敏感元件（光纤或非光纤）、光接收器、信号处理系统以及光纤构成（见下图）。其基本工作原理就是由光发送器发出的光经光纤引导至敏感元件。在这里，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理系统处理得到所要的被测量。光纤传感器与电类传感器相比，在测量原理上有本质的差别。电类传感器以电学量为基础，而光纤传感器以光学量为基础。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。光纤传感器的核心元件是光纤。实际应用时，选择光纤传感器主要是考虑的光纤的参数。2、 光纤的

3、重要参数1、 数值孔径NA（Numerical Aperture）由斯乃尔Snell 定律可导出光由折射率为 n0 的空气媒质（n0=1）中射入纤芯时实现全反射的临界角（始端最大入射角）。它表示无论光源发射功率多大，只有i<i0 = arcsinNA 的那些光线，才能被光纤接收（以至于传播）；NA愈大，表示入射光的角度（范围）越大，光纤的集光能力愈强。数值孔径是衡量光纤集光性能的主要参数。2、 传播模式在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤的纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光纤，即可称之为一个传播模式。根据传播模式，光纤有单模和多模之分。当光纤纤芯直径很小时，光纤只允许与

4、光纤轴方向一致的光线通过，即只允许通过一个基模。这种只允许传输一个基模的光纤称为单模光纤。当光纤的纤芯直径较大时，则在光纤的受光角内，可允许光波以多个特定的角度射入光纤端面，并在光纤中传播。此时光纤中有多个模式。这种能传输多个模式的光纤称为多模光纤。以不同入射角入射在光纤端面上的光线在光纤中形成不同的传播模式。沿光纤轴传播的叫基模，相继还有一次模、二次模等。单模光纤：纤芯直径小于6m，折射率差小于0.5%，多用于功能型光纤传感器。多模光纤：多模光纤的传输频率较高，纤芯直径 （大于50m），折射率差（n1-n2）/n1 较大，多用于非功能型光纤传感器。3、 传播损耗设光纤入射端光功率为Pi、出射

5、端光功率为P0、光纤长度 L（km），则光纤的损耗（dB/km）可用下式计算。引起光纤损耗的因素有两个，即吸收损耗和散射损耗。前者是媒质的吸收作用将使传输的光能变成热能，造成光能的损失。后者是由于光纤的材料及其不均匀性或其几何尺寸的缺陷引起的。光导纤维的弯曲也会造成散射损耗。这是由于光纤边界条件的变化，使光在光纤中无法进行全反射传输所至。弯曲半径越小，造成损耗越大。早期的光纤损耗很大，上世纪70年代后期制成的石英光纤的损耗已降低到，已接近光纤损耗的理论极限。4、 色散色散是指折射率与频率有关的现象，是衡量光纤传送光信息容量的重要参数。输入光在光纤传输的过程中，由于光波的群速度不同而出现的频率带宽问题。它反映光纤传输带宽、通迅信息的容量和品质。多数传感器不存在信息容量的问题，因此可放宽对光纤色散的要求。光纤色散可分为以下几种：（1） 材料色散材料的折射率随光波波长的变化而变化，这使光信号中各波长分量的光的群速度不同而引起的色散，故称折射率色散。（2） 波导色散由于波导结构不同，某一波导模式的传播常数随信号角频率变化而引起色散，也称结构色散。（3） 多模色散在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率下的传播常数不同、群速度不同而产生的色散。3、 光纤传感器的选型依据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。光信号的传播主要依赖光纤，