成都信息工程（成都信工学院）：电子工业出版社《传感器与检测技术》教学资源（PPT课件）第4章 光电式传感器原理与应用（4.4）光纤传感器

44光纤传感器 垂光纤传感优点: 灵敏度较高;几何形状具有多方面的适应性, 可以制成任意形状的光纤传感器;可以制造传 感各种不同物理信息(声、磁、温度、旋转等) 的器件;可以用于高压、电气噪声、高温、腐 蚀、或其它的恶劣环境;而且具有与光纤遥测 技术的内在相容性

4.4 光纤传感器 光纤传感优点： 灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性， 可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传 感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等） 的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐 蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测 技术的内在相容性

光纤传感器( FOS Fiber Optical Sensor)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。因此,它同时具有光纤及光学测量的特点。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位 应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压 磁场等物理量

光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor) 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。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、 应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、 磁场等物理量

44光纤传感器 44.1光导纤维的结构和导光原理 4.2光导纤维的主要参数 44.3光纤传感器结构原理 444光纤传感器的分类 445光纤传感器的特点 44.6光纤传感器的应用

4.4 光纤传感器 4.4.1 光导纤维的结构和导光原理 4.4.2 光导纤维的主要参数 4.4.3 光纤传感器结构原理 4.4.4 光纤传感器的分类 4.4.5 光纤传感器的特点 4.4.6 光纤传感器的应用

4.4.1光导纤维的结构和导光原理 圆柱形内芯和包层组成,而且内芯的折射率略 大于包层的折射率 纤芯 2R 2r +( 包层 上一页 下一页

4.4.1 光导纤维的结构和导光原理 ⚫ 圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略 大于包层的折射率 返 回 上一页 下一页

斯乃尔定理 ●光线在两种不同介质的分界面上会产生折射现象。 折射定律 n, sin 0=n, sin 6 其中n1和n2为折射率,0 0r为入射角和折射角

斯乃尔定理 ⚫ 光线在两种不同介质的分界面上会产生折射现象。 折射定律： n  i n  r 1 sin = 2 sin 其中n1和n2为折射率，θi 、 θr为入射角和折射角

当光由光密物质出射至光疏物质时,在一定条件下会发生 一全反射。(这时折射定律不再成立,只有全反射 6 (a) (b) (c (a)折射角大于入射角:snO=n,sinO b)临界状态:O= arcsin((n2/n) (c)全反射: 上一页 下一页

当光由光密物质出射至光疏物质时，在一定条件下会发生 全反射 。（这时折射定律不再成立,只有全反射。） （a）折射角大于入射角： （b）临界状态： （c）全反射： n  i n  r 1 sin = 2 sin arcsin( / )  i 0 = n2 n1 0  i  i  返 回 上一页 下一页

光纤导光(光纤直径>>光的波长) E 0K B io K D n sin 0=n, sin e In, sin 0.=n sin 0 上一页 下一页

光纤导光 (光纤直径>>光的波长） n  i n  j 0 sin = 1 sin n  k n  r 1 sin = 2 sin 返 回 上一页 下一页

sin,=(n, /no )sin 0, 0,=900-0 sin 0, =(n, / no )sin( 900-0)=mcos 0,=n sin-e sin e (2 sing/2 n,-n sine n为入射光线AB所在空间的折射率,一般皆为空气,故n01 2 SIn n sine 上一页 下一页

 j − k = 90 i k k k n n n n  n n    2 0 1 0 1 1 0 sin = ( / )sin( 90 − ) = cos = 1− sin  i n n  j sin = ( 1 / 0 )sin r i r n n sin n sin ) n n ( n n sin    2 2 2 2 1 0 2 1 2 0 1 1 1 = − = − n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n0≈1  i n n  r 2 2 2 2 1 sin = − sin 返 回 上一页 下一页

当r=90°的临界状态时, sin e Sin0定义为“数值孔径”NA( NumericalAperture) sin,≈n12A △=(n1-n2)/mn1相对折射率差 arcsine是一个临界角, i> aresia,光线进入光纤后都不能传播而在包层消失; i< arcsinE,光线才可以进入光纤被全反射传播。0k大, 故而将无损地通过光纤纤芯传播。直到端面。 上一页 下一页

2 2 2 0 1 sin  i = n − n 当θr =90°的临界状态时， Sin θi定义为“数值孔径”NA（Numerical Aperture） sin  1 2 0  i n 1 2 1  = (n − n )/ n 相对折射率差 arcsinNA是一个临界角， θi > arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失； θi < arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。θk大， 故而将无损地通过光纤纤芯传播。直到端面。 返 回 上一页 下一页

4.4.2光导纤维的主要参数 1.数值孔径(NA) 2.光纤模式 3.传播损耗

4.4.2 光导纤维的主要参数 ⚫ 1. 数值孔径（NA） ⚫ 2. 光纤模式 ⚫ 3. 传播损耗 返返 回回 上一页 下一页