第8章光纤传感器1新

1、1第第 8 章章光纤传感器光纤传感器传感器原理北京化工大学信息科学与技术学院测控系2传感器原理传感器原理第第8章章 光纤传感器光纤传感器光钎光钎第一节第一节 光纤的传光原理及特性光纤的传光原理及特性 一、光纤的结构一、光纤的结构 二、光在光纤中的传播二、光在光纤中的传播 三、光纤的重要参数三、光纤的重要参数 四、光纤的分类四、光纤的分类第二节第二节 光纤传感器的原理光纤传感器的原理 一、光纤传感器的基本原理一、光纤传感器的基本原理 二、光纤传感器的特点二、光纤传感器的特点 三、光纤传感器的分类三、光纤传感器的分类 四、光纤传感器的组成四、光纤传感器的组成 五、光调制技术五、光调制技术3光钎光钎

2、传感器原理传感器原理第三节第三节 光纤传感器的应用光纤传感器的应用 一、强度调制型光纤传感器一、强度调制型光纤传感器 二、相位调制型光纤传感器二、相位调制型光纤传感器 三、偏振态调制型光纤传感器三、偏振态调制型光纤传感器 四、频率调制型光纤传感器四、频率调制型光纤传感器4 第一节第一节 光纤的传光原理及特性光纤的传光原理及特性 一、光纤的结构一、光纤的结构 二、光在光纤中的传播二、光在光纤中的传播 三、光纤的重要参数三、光纤的重要参数 四、光纤的分类四、光纤的分类5第一节第一节 光纤的传光原理及特性光纤的传光原理及特性一、光纤的结构一、光纤的结构多层介质结构：1.纤芯纤芯：石英玻璃，直径55u

3、m，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素2.包层包层：直径100200um，折射率折射率略低于纤芯略低于纤芯3.涂敷层涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光4.护套护套：尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层护套护套n1n2n2n1n2n纤芯纤芯n包层包层6二、光在光纤中的传播二、光在光纤中的传播1、光的反射、光的反射当光从一种媒质射入另一种媒质，在两种媒质的分界面上，光将当光从一种媒质射入另一种媒质，在两种媒质的分界面上，光将改变传播方向，一部分光被反射回原来的媒质中，这种现象叫做改变传播方向，一部分光被反射回原来的媒质中，这种现象叫做光的反射光的反射。反射定律反射定律

4、（1）反射光线跟入射光线和法线在同一平面上，）反射光线跟入射光线和法线在同一平面上，反射光线和入射光线分居在法线的两端。反射光线和入射光线分居在法线的两端。（2）反射角）反射角 r 等于入射角等于入射角 i根据光的反射定律，如果使光线沿着根据光的反射定律，如果使光线沿着反射光线的路径射到界面上，这时的反射光线的路径射到界面上，这时的反射光线一定会沿着原来入射光线的反射光线一定会沿着原来入射光线的路径射出。即路径射出。即反射时光路可逆反射时光路可逆。入射光线入射光线反射光线反射光线法线法线ir光的反射光的反射72、光的折射、光的折射当光从一种媒质射入另一种媒质，在两种当光从一种媒质射入另一种媒质

5、，在两种媒质的分界面上，光将改变传播方向，媒质的分界面上，光将改变传播方向，一部分光被反射回原来的媒质中，这种现一部分光被反射回原来的媒质中，这种现象叫做光的反射；象叫做光的反射；另一部分光线射入另一种媒质中，并改变另一部分光线射入另一种媒质中，并改变了原来的传播方向。了原来的传播方向。光从一种媒质射入另一种媒质时，传播方光从一种媒质射入另一种媒质时，传播方向发生改变的现象，叫做向发生改变的现象，叫做光的折射光的折射。改变入射光线的入射角度改变入射光线的入射角度 i （入射光线入射光线与法线的夹角），折射光线的折射角与法线的夹角），折射光线的折射角 r（折射光线与法线的夹角）折射光线与法线的夹

6、角） 也随之改变也随之改变 。空气空气玻璃玻璃irABNN光从空气进入玻璃时光从空气进入玻璃时发生折射发生折射反射光线入射光线折射光线O8（1）折射光线在入射光线和法线所在的平面）折射光线在入射光线和法线所在的平面上，折射光线和入射光线分居在法线的两侧。上，折射光线和入射光线分居在法线的两侧。（2）入射角的正弦和折射角的正弦之比为）入射角的正弦和折射角的正弦之比为一个常数。一个常数。rinsinsin在折射现象中，在折射现象中，光路是可逆光路是可逆的的。光线沿光线沿BO从玻璃射入空气中，即入射从玻璃射入空气中，即入射角为角为r，空气中的折射光线将沿空气中的折射光线将沿OA前前进，即折射角为进，

7、即折射角为 i 。这样光线由其它媒这样光线由其它媒质射入空气中时，折射角大于入射角。质射入空气中时，折射角大于入射角。 折射定律折射定律空气空气玻璃玻璃irABNN光从空气进入玻璃时光从空气进入玻璃时发生折射发生折射反射光线入射光线折射光线O93、折射率、折射率折射率是反映媒质光学性质的物理量。折射率是反映媒质光学性质的物理量。光从一种媒质射入另一种媒质时，入射角的正弦与折射角的正弦光从一种媒质射入另一种媒质时，入射角的正弦与折射角的正弦之比为一个常数，这个规律对任何媒质都是正确的。但对不同的之比为一个常数，这个规律对任何媒质都是正确的。但对不同的媒质来说，这个常数是不同的，可见这个常数与媒质

8、材料有关，媒质来说，这个常数是不同的，可见这个常数与媒质材料有关，它反映的是媒质光学性质的物理量，称为媒质的折射率。它反映的是媒质光学性质的物理量，称为媒质的折射率。媒质的折射率有绝对折射率、相对折射率。媒质的折射率有绝对折射率、相对折射率。绝对折射率绝对折射率任一媒质相对于真空的折射率称为此媒质的任一媒质相对于真空的折射率称为此媒质的绝对折射率绝对折射率，简称，简称折射率。绝对折射率等于真空中光速折射率。绝对折射率等于真空中光速 C 与光在此媒质中传播的与光在此媒质中传播的速度速度 v 之比，即之比，即vcn 10相对折射率相对折射率折射率也是表示两种媒质中传播光速比值的物理量。折射率也是表

9、示两种媒质中传播光速比值的物理量。光在第一媒质中传播的速度光在第一媒质中传播的速度 v1与在第二媒质中的速度与在第二媒质中的速度 v2 之比，之比，称第二媒质对第一媒质的称第二媒质对第一媒质的相对折射率相对折射率，即，即2121vvn从上述定义可知，相对折射率与绝对折射率有关，若从上述定义可知，相对折射率与绝对折射率有关，若 n1 表示第表示第一媒质的绝对折射率，一媒质的绝对折射率，n2 表示第二媒质的绝对折射率，则媒质表示第二媒质的绝对折射率，则媒质2对于媒质对于媒质1相对折射率等于它们的绝对折射率之比，即相对折射率等于它们的绝对折射率之比，即1221nnnrinsinsin根据折射定律，光

10、从媒质根据折射定律，光从媒质1进入媒质进入媒质2时，入射角时，入射角 i 的正弦与折射的正弦与折射角角 r 的正弦之比等于媒质的正弦之比等于媒质2对媒质对媒质1的相对折射率，即的相对折射率，即11光密媒质、光疏媒质光密媒质、光疏媒质对于两种媒质来说对于两种媒质来说光在其中传播速度较慢的，绝对折射率较大的媒质叫光在其中传播速度较慢的，绝对折射率较大的媒质叫光密媒质光密媒质；光在其中传播速度较快的，绝对折射率较小的媒质叫光在其中传播速度较快的，绝对折射率较小的媒质叫光疏媒质光疏媒质。光由光疏媒质射入光密媒质时，折射角小于入射角。光由光疏媒质射入光密媒质时，折射角小于入射角。光由光密媒质射入光疏媒质

11、时，折射角大于入射角。光由光密媒质射入光疏媒质时，折射角大于入射角。124、全反射、全反射全反射现象全反射现象光从光密媒质射入光疏媒质时，折射角光从光密媒质射入光疏媒质时，折射角r 大于入射角大于入射角k ；当入射角当入射角k 增大到某一角度时，折射角增大到某一角度时，折射角r 将等于将等于90，折射光沿两，折射光沿两个媒质交界界面传播；个媒质交界界面传播；若再增大入射角，就不再有折射光线，即全反射。若再增大入射角，就不再有折射光线，即全反射。下图为观察全反射现象的示意图。下图为观察全反射现象的示意图。光线沿着半圆形玻璃砖的半径射到直光线沿着半圆形玻璃砖的半径射到直边上，一部分光线从直边折射到

12、空气边上，一部分光线从直边折射到空气中，一部分光线反射回玻璃。逐渐增中，一部分光线反射回玻璃。逐渐增大光线的入射角，将会出现折射光线大光线的入射角，将会出现折射光线离法线越来越远，而且折射光线越来离法线越来越远，而且折射光线越来越弱，反射光线越来越强。当入射角越弱，反射光线越来越强。当入射角增大到某一角度时，折射光线消失，增大到某一角度时，折射光线消失，光线全部反射回玻璃中。光线全部反射回玻璃中。这种现象叫做全反射。这种现象叫做全反射。空气光疏媒质玻璃光密媒质光源反射光线折射光线全反射现象全反射现象rkk135、临界角、临界角光发生折射时，折射角等于光发生折射时，折射角等于90时的入射角叫做时

13、的入射角叫做临界角临界角。空气空气光疏媒质光疏媒质玻璃玻璃光密媒质光密媒质光源光源折射光线折射光线全反射现象全反射现象r = 90 k光线从光密媒质射入光疏媒光线从光密媒质射入光疏媒质，当入射角大于临界角时，质，当入射角大于临界角时，就发生全反射现象。就发生全反射现象。146、光导纤维、光导纤维光从玻璃射入空气时，如果入射角大于临界角，就发生全反射，光从玻璃射入空气时，如果入射角大于临界角，就发生全反射，使光不能从玻璃折射到空气中。使光不能从玻璃折射到空气中。这一现象使人们受到启发，试图用玻璃棒传输光。这一现象使人们受到启发，试图用玻璃棒传输光。右图中，把一根弯曲的玻璃棒一端右图中，把一根弯曲

14、的玻璃棒一端安在暗箱的一边，打开暗箱中的电安在暗箱的一边，打开暗箱中的电灯，玻璃棒的下端有明亮的光线传灯，玻璃棒的下端有明亮的光线传出。出。这是因为从玻璃棒上端进入棒内的这是因为从玻璃棒上端进入棒内的光线，在棒的内壁上发生全反射，光线，在棒的内壁上发生全反射，光线最后从棒的下端传出来。光线最后从棒的下端传出来。暗箱暗箱弯曲玻璃棒传输光弯曲玻璃棒传输光15现代科学技术中的光纤技术，就是利用光导纤维实现光导。现代科学技术中的光纤技术，就是利用光导纤维实现光导。光导纤维简称光纤。光导纤维简称光纤。光纤是一种比头发丝还细的玻璃丝。光纤是一种比头发丝还细的玻璃丝。这种玻璃丝分为内外两层：这种玻璃丝分为内

15、外两层：内层内层-芯线芯线外层外层-包层包层包包 层层芯线芯线光导纤维光导纤维芯线的折射率比包层的折射率大，芯线的折射率比包层的折射率大，光从芯线射向包层时发生全反射，光从芯线射向包层时发生全反射，这样光在芯线内从光纤的一端传输这样光在芯线内从光纤的一端传输到另一端。到另一端。167、光纤波导原理、光纤波导原理光纤是用折射率较高的媒质（如石英、玻璃、塑料等）构成的光光纤是用折射率较高的媒质（如石英、玻璃、塑料等）构成的光通路。通路。它是由折射率它是由折射率 n1 较大（光密媒质）的纤芯和折射率较大（光密媒质）的纤芯和折射率 n2 较小（光较小（光疏媒质）的包层构成的双层（很细）同心圆柱结构。疏

16、媒质）的包层构成的双层（很细）同心圆柱结构。光纤的中间部分是导光的纤芯，光纤的中间部分是导光的纤芯，纤芯的周围是包层。纤芯的周围是包层。包层媒质的折射率包层媒质的折射率 n2 略小于纤略小于纤芯的折射率芯的折射率 n1 ，它们的相对折射率差：它们的相对折射率差：（=1-n2/n1）通常为通常为0.0050.14。纤芯纤芯n1包层n2j光纤的结构及光导原理光纤的结构及光导原理媒质媒质1媒质媒质2krk包层n2媒质媒质217根据光学原理根据光学原理当光线以较小的入射角当光线以较小的入射角k 由光密媒质由光密媒质1 射向光疏媒质射向光疏媒质2（n1 n2）时，时，一部分光以折射角一部分光以折射角r

17、折射入媒质折射入媒质2，一部分以一部分以k 反射回媒质反射回媒质1。由光折射和反射的由光折射和反射的斯乃尔斯乃尔Snell 定律有：定律有：rknnsinsin21纤芯纤芯n1包层n2j光纤的结构及光导原理光纤的结构及光导原理媒质媒质1媒质媒质2krk包层n2媒质媒质218媒质媒质2（n2）媒质媒质1（n1）光在两个媒质界面上的折射与反射光在两个媒质界面上的折射与反射当当k 角逐渐增大，直到角逐渐增大，直到k =c 时，射入媒质时，射入媒质2中折射光沿界面传播中折射光沿界面传播（r = 90）。）。对应于对应于r = 90时的入射角时的入射角k 称为临界角称为临界角c12sinnnc当入射角当

18、入射角k c 时，入射光时，入射光不再折射入媒质不再折射入媒质2，而在媒，而在媒质质1（纤芯）内产生连续向（纤芯）内产生连续向前的全部反射，直至由终端前的全部反射，直至由终端面射出。这是光纤波导的工面射出。这是光纤波导的工作原理。作原理。rknnsinsin21aaakkrccccr= 90bbkcn1 n2191、数值孔径数值孔径NA（Numerical Aperture）由斯乃尔由斯乃尔Snell 定律可导出光由折射率为定律可导出光由折射率为 n0 的空气媒质（的空气媒质（n0=1）中射中射入纤芯时实现全反射的临界角（始端最大入射角）入纤芯时实现全反射的临界角（始端最大入射角）即：即：i

19、与与r 的关系为：的关系为：jinnsinsin10纤芯n1包层n2in0=1j光纤的结构及光导原理光纤的结构及光导原理媒质1媒质2krk包层n2媒质2媒质0式中：i 从空气中入射光纤的光的入射角j 从空气中入射光纤的光的折射角k 从纤芯中入射包层的光的入射角r 从纤芯中入射包层的光的折射角 n0 媒质0 空气的折射率 n1 媒质1 纤芯的折射率 n2 媒质2 包层的折射率rknnsinsin21jinnsin)(sin01三、光纤的重要参数三、光纤的重要参数20因为因为 j = 90-k所以所以kkkinnnnnn2010101sin1cos)90sin(sin将将sink =（n2 /n1

20、）sinr 带入上式得：带入上式得：rrinnnnnnn22221021201sin1)sin(1sin式中： n1 为纤芯折射率 n0 为入射光线所在空间的折射率 一般为空气，空气的折射率为n01纤芯n1包层n2in0=1j光纤的结构及光导原理光纤的结构及光导原理媒质1媒质2krk包层n2媒质2媒质0jinnsin)(sin0121NAnni22210sin式中： NA 定义为数值孔径当当 n0=1时，上式为：时，上式为：rinn22221sinsin当当r = 90的临界状态时，的临界状态时，i =i 0 则上式为：则上式为：2221nnNA纤芯n1包层n2in0=1j光纤的结构及光导原理

21、光纤的结构及光导原理媒质1媒质2krk包层n2媒质2媒质0rrinnnnnnn22221021201sin1)sin(1sin纤维光学把上式中纤维光学把上式中 sini 0 定义为：定义为：NA数值孔径数值孔径22由于由于n1与与n2相差较小，即相差较小，即n1+n22n1，故上式可为故上式可为2)( 2sin112110nnnnni式中：=（n1-n2）/n1 称为相对折射率分析说明分析说明照射光纤入口端面的光，只有入射角为照射光纤入口端面的光，只有入射角为i arcsin NA 的那些光线才可的那些光线才可进入光纤被全反射传播。进入光纤被全反射传播。它表示无论光源发射功率多大，它表示无论光

22、源发射功率多大，只有只有i c ），则光线在界面上产生全反射。理想情况，光），则光线在界面上产生全反射。理想情况，光将无衰减地在纤芯内传播。当光线射入微弯区段的界面上时，入将无衰减地在纤芯内传播。当光线射入微弯区段的界面上时，入射角将小于临界角（射角将小于临界角（ 2，所以可以忽略式中的平方项，有，所以可以忽略式中的平方项，有（8-138-13）利用多普勒效应可以进行速度、流速、流量的测量。利用多普勒效应可以进行速度、流速、流量的测量。741、光纤多普勒流量计、光纤多普勒流量计v从激光器发出光以频率从激光器发出光以频率 f0 ，经透镜，经透镜4、光纤、光纤1、分光镜、分光镜3、分光镜、分光镜2

23、、透镜透镜1，照射到被测物体；，照射到被测物体；从被测物体反射出的光以频率从被测物体反射出的光以频率 f1，经透镜，经透镜1、分光镜、分光镜1、透镜、透镜3、光纤、光纤2，传送到探测器，最后由频谱仪接收。，传送到探测器，最后由频谱仪接收。由频谱分析仪由频谱分析仪处理，得到发处理，得到发出光频率出光频率f0和反和反射光频率射光频率f1的频的频率差。该频率率差。该频率差与被测物体差与被测物体的流速有关：的流速有关：f （v）光纤多普勒流量计原理图光纤多普勒流量计原理图光纤2探测器探测器频谱频谱分析仪分析仪透镜3分光镜1f1激光器激光器分光镜2分光镜3透镜1透镜2透镜4f0光纤1下图为光纤多普勒流量计原理图。下图为光纤多普勒流量计原理图。75激光器布拉格盒血流探测器信号处理f0f1f0-f1f0ff0-f1f1 f2、光纤多普勒血流速度传感器、光纤多普勒血流速度传感器图图 光纤多普勒血液流动速度传感器原理图光纤多普勒血液流动速度传感器原理图光纤输出f0f0混频器如图所示，激光器产生频率为如图所示，激光器产生频率为 f f0 0 的光经分束器分成两束。其中一束被的光经分束器分成两