1、1第第 8 章章光纖傳感器光纖傳感器傳感器原理北京化工大學信息科學與技術學院測控系2傳感器原理傳感器原理第第8章章 光纖傳感器光纖傳感器光釬光釬第一節(jié)第一節(jié) 光纖的傳光原理及特性光纖的傳光原理及特性 一、光纖的結構一、光纖的結構 二、光在光纖中的傳播二、光在光纖中的傳播 三、光纖的重要參數(shù)三、光纖的重要參數(shù) 四、光纖的分類四、光纖的分類第二節(jié)第二節(jié) 光纖傳感器的原理光纖傳感器的原理 一、光纖傳感器的基本原理一、光纖傳感器的基本原理 二、光纖傳感器的特點二、光纖傳感器的特點 三、光纖傳感器的分類三、光纖傳感器的分類 四、光纖傳感器的組成四、光纖傳感器的組成 五、光調制技術五、光調制技術3光釬光釬

2、傳感器原理傳感器原理第三節(jié)第三節(jié) 光纖傳感器的應用光纖傳感器的應用 一、強度調制型光纖傳感器一、強度調制型光纖傳感器 二、相位調制型光纖傳感器二、相位調制型光纖傳感器 三、偏振態(tài)調制型光纖傳感器三、偏振態(tài)調制型光纖傳感器 四、頻率調制型光纖傳感器四、頻率調制型光纖傳感器4 第一節(jié)第一節(jié) 光纖的傳光原理及特性光纖的傳光原理及特性 一、光纖的結構一、光纖的結構 二、光在光纖中的傳播二、光在光纖中的傳播 三、光纖的重要參數(shù)三、光纖的重要參數(shù) 四、光纖的分類四、光纖的分類5第一節(jié)第一節(jié) 光纖的傳光原理及特性光纖的傳光原理及特性一、光纖的結構一、光纖的結構多層介質結構：1.纖芯纖芯：石英玻璃，直徑55u

3、m，材料以二氧化硅為主，摻雜微量元素2.包層包層：直徑100200um，折射率折射率略低于纖芯略低于纖芯3.涂敷層涂敷層：硅酮或丙烯酸鹽，隔離雜光4.護套護套：尼龍或其他有機材料，提高機械強度，保護光纖纖芯纖芯包層包層涂覆層涂覆層護套護套n1n2n2n1n2n纖芯纖芯n包層包層6二、光在光纖中的傳播二、光在光纖中的傳播1、光的反射、光的反射當光從一種媒質射入另一種媒質，在兩種媒質的分界面上，光將當光從一種媒質射入另一種媒質，在兩種媒質的分界面上，光將改變傳播方向，一部分光被反射回原來的媒質中，這種現(xiàn)象叫做改變傳播方向，一部分光被反射回原來的媒質中，這種現(xiàn)象叫做光的反射光的反射。反射定律反射定律

4、（1）反射光線跟入射光線和法線在同一平面上，）反射光線跟入射光線和法線在同一平面上，反射光線和入射光線分居在法線的兩端。反射光線和入射光線分居在法線的兩端。（2）反射角）反射角 r 等于入射角等于入射角 i根據(jù)光的反射定律，如果使光線沿著根據(jù)光的反射定律，如果使光線沿著反射光線的路徑射到界面上，這時的反射光線的路徑射到界面上，這時的反射光線一定會沿著原來入射光線的反射光線一定會沿著原來入射光線的路徑射出。即路徑射出。即反射時光路可逆反射時光路可逆。入射光線入射光線反射光線反射光線法線法線ir光的反射光的反射72、光的折射、光的折射當光從一種媒質射入另一種媒質，在兩種當光從一種媒質射入另一種媒質

5、，在兩種媒質的分界面上，光將改變傳播方向，媒質的分界面上，光將改變傳播方向，一部分光被反射回原來的媒質中，這種現(xiàn)一部分光被反射回原來的媒質中，這種現(xiàn)象叫做光的反射；象叫做光的反射；另一部分光線射入另一種媒質中，并改變另一部分光線射入另一種媒質中，并改變了原來的傳播方向。了原來的傳播方向。光從一種媒質射入另一種媒質時，傳播方光從一種媒質射入另一種媒質時，傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象，叫做向發(fā)生改變的現(xiàn)象，叫做光的折射光的折射。改變?nèi)肷涔饩€的入射角度改變?nèi)肷涔饩€的入射角度 i （入射光線入射光線與法線的夾角），折射光線的折射角與法線的夾角），折射光線的折射角 r（折射光線與法線的夾角）折射光線與法線的夾

6、角） 也隨之改變也隨之改變 ?？諝饪諝獠ＡРＡrABNN光從空氣進入玻璃時光從空氣進入玻璃時發(fā)生折射發(fā)生折射反射光線入射光線折射光線O8（1）折射光線在入射光線和法線所在的平面）折射光線在入射光線和法線所在的平面上，折射光線和入射光線分居在法線的兩側。上，折射光線和入射光線分居在法線的兩側。（2）入射角的正弦和折射角的正弦之比為）入射角的正弦和折射角的正弦之比為一個常數(shù)。一個常數(shù)。rinsinsin在折射現(xiàn)象中，在折射現(xiàn)象中，光路是可逆光路是可逆的的。光線沿光線沿BO從玻璃射入空氣中，即入射從玻璃射入空氣中，即入射角為角為r，空氣中的折射光線將沿空氣中的折射光線將沿OA前前進，即折射角為進，

7、即折射角為 i 。這樣光線由其它媒這樣光線由其它媒質射入空氣中時，折射角大于入射角。質射入空氣中時，折射角大于入射角。 折射定律折射定律空氣空氣玻璃玻璃irABNN光從空氣進入玻璃時光從空氣進入玻璃時發(fā)生折射發(fā)生折射反射光線入射光線折射光線O93、折射率、折射率折射率是反映媒質光學性質的物理量。折射率是反映媒質光學性質的物理量。光從一種媒質射入另一種媒質時，入射角的正弦與折射角的正弦光從一種媒質射入另一種媒質時，入射角的正弦與折射角的正弦之比為一個常數(shù)，這個規(guī)律對任何媒質都是正確的。但對不同的之比為一個常數(shù)，這個規(guī)律對任何媒質都是正確的。但對不同的媒質來說，這個常數(shù)是不同的，可見這個常數(shù)與媒質

8、材料有關，媒質來說，這個常數(shù)是不同的，可見這個常數(shù)與媒質材料有關，它反映的是媒質光學性質的物理量，稱為媒質的折射率。它反映的是媒質光學性質的物理量，稱為媒質的折射率。媒質的折射率有絕對折射率、相對折射率。媒質的折射率有絕對折射率、相對折射率。絕對折射率絕對折射率任一媒質相對于真空的折射率稱為此媒質的任一媒質相對于真空的折射率稱為此媒質的絕對折射率絕對折射率，簡稱，簡稱折射率。絕對折射率等于真空中光速折射率。絕對折射率等于真空中光速 C 與光在此媒質中傳播的與光在此媒質中傳播的速度速度 v 之比，即之比，即vcn 10相對折射率相對折射率折射率也是表示兩種媒質中傳播光速比值的物理量。折射率也是表

9、示兩種媒質中傳播光速比值的物理量。光在第一媒質中傳播的速度光在第一媒質中傳播的速度 v1與在第二媒質中的速度與在第二媒質中的速度 v2 之比，之比，稱第二媒質對第一媒質的稱第二媒質對第一媒質的相對折射率相對折射率，即，即2121vvn從上述定義可知，相對折射率與絕對折射率有關，若從上述定義可知，相對折射率與絕對折射率有關，若 n1 表示第表示第一媒質的絕對折射率，一媒質的絕對折射率，n2 表示第二媒質的絕對折射率，則媒質表示第二媒質的絕對折射率，則媒質2對于媒質對于媒質1相對折射率等于它們的絕對折射率之比，即相對折射率等于它們的絕對折射率之比，即1221nnnrinsinsin根據(jù)折射定律，光

10、從媒質根據(jù)折射定律，光從媒質1進入媒質進入媒質2時，入射角時，入射角 i 的正弦與折射的正弦與折射角角 r 的正弦之比等于媒質的正弦之比等于媒質2對媒質對媒質1的相對折射率，即的相對折射率，即11光密媒質、光疏媒質光密媒質、光疏媒質對于兩種媒質來說對于兩種媒質來說光在其中傳播速度較慢的，絕對折射率較大的媒質叫光在其中傳播速度較慢的，絕對折射率較大的媒質叫光密媒質光密媒質；光在其中傳播速度較快的，絕對折射率較小的媒質叫光在其中傳播速度較快的，絕對折射率較小的媒質叫光疏媒質光疏媒質。光由光疏媒質射入光密媒質時，折射角小于入射角。光由光疏媒質射入光密媒質時，折射角小于入射角。光由光密媒質射入光疏媒質

11、時，折射角大于入射角。光由光密媒質射入光疏媒質時，折射角大于入射角。124、全反射、全反射全反射現(xiàn)象全反射現(xiàn)象光從光密媒質射入光疏媒質時，折射角光從光密媒質射入光疏媒質時，折射角r 大于入射角大于入射角k ；當入射角當入射角k 增大到某一角度時，折射角增大到某一角度時，折射角r 將等于將等于90，折射光沿兩，折射光沿兩個媒質交界界面?zhèn)鞑ィ粋€媒質交界界面?zhèn)鞑?；若再增大入射角，就不再有折射光線，即全反射。若再增大入射角，就不再有折射光線，即全反射。下圖為觀察全反射現(xiàn)象的示意圖。下圖為觀察全反射現(xiàn)象的示意圖。光線沿著半圓形玻璃磚的半徑射到直光線沿著半圓形玻璃磚的半徑射到直邊上，一部分光線從直邊折射到

12、空氣邊上，一部分光線從直邊折射到空氣中，一部分光線反射回玻璃。逐漸增中，一部分光線反射回玻璃。逐漸增大光線的入射角，將會出現(xiàn)折射光線大光線的入射角，將會出現(xiàn)折射光線離法線越來越遠，而且折射光線越來離法線越來越遠，而且折射光線越來越弱，反射光線越來越強。當入射角越弱，反射光線越來越強。當入射角增大到某一角度時，折射光線消失，增大到某一角度時，折射光線消失，光線全部反射回玻璃中。光線全部反射回玻璃中。這種現(xiàn)象叫做全反射。這種現(xiàn)象叫做全反射。空氣光疏媒質玻璃光密媒質光源反射光線折射光線全反射現(xiàn)象全反射現(xiàn)象rkk135、臨界角、臨界角光發(fā)生折射時，折射角等于光發(fā)生折射時，折射角等于90時的入射角叫做時

13、的入射角叫做臨界角臨界角。空氣空氣光疏媒質光疏媒質玻璃玻璃光密媒質光密媒質光源光源折射光線折射光線全反射現(xiàn)象全反射現(xiàn)象r = 90 k光線從光密媒質射入光疏媒光線從光密媒質射入光疏媒質，當入射角大于臨界角時，質，當入射角大于臨界角時，就發(fā)生全反射現(xiàn)象。就發(fā)生全反射現(xiàn)象。146、光導纖維、光導纖維光從玻璃射入空氣時，如果入射角大于臨界角，就發(fā)生全反射，光從玻璃射入空氣時，如果入射角大于臨界角，就發(fā)生全反射，使光不能從玻璃折射到空氣中。使光不能從玻璃折射到空氣中。這一現(xiàn)象使人們受到啟發(fā)，試圖用玻璃棒傳輸光。這一現(xiàn)象使人們受到啟發(fā)，試圖用玻璃棒傳輸光。右圖中，把一根彎曲的玻璃棒一端右圖中，把一根彎曲

14、的玻璃棒一端安在暗箱的一邊，打開暗箱中的電安在暗箱的一邊，打開暗箱中的電燈，玻璃棒的下端有明亮的光線傳燈，玻璃棒的下端有明亮的光線傳出。出。這是因為從玻璃棒上端進入棒內(nèi)的這是因為從玻璃棒上端進入棒內(nèi)的光線，在棒的內(nèi)壁上發(fā)生全反射，光線，在棒的內(nèi)壁上發(fā)生全反射，光線最后從棒的下端傳出來。光線最后從棒的下端傳出來。暗箱暗箱彎曲玻璃棒傳輸光彎曲玻璃棒傳輸光15現(xiàn)代科學技術中的光纖技術，就是利用光導纖維實現(xiàn)光導?，F(xiàn)代科學技術中的光纖技術，就是利用光導纖維實現(xiàn)光導。光導纖維簡稱光纖。光導纖維簡稱光纖。光纖是一種比頭發(fā)絲還細的玻璃絲。光纖是一種比頭發(fā)絲還細的玻璃絲。這種玻璃絲分為內(nèi)外兩層：這種玻璃絲分為內(nèi)

15、外兩層：內(nèi)層內(nèi)層-芯線芯線外層外層-包層包層包包 層層芯線芯線光導纖維光導纖維芯線的折射率比包層的折射率大，芯線的折射率比包層的折射率大，光從芯線射向包層時發(fā)生全反射，光從芯線射向包層時發(fā)生全反射，這樣光在芯線內(nèi)從光纖的一端傳輸這樣光在芯線內(nèi)從光纖的一端傳輸?shù)搅硪欢?。到另一端?67、光纖波導原理、光纖波導原理光纖是用折射率較高的媒質（如石英、玻璃、塑料等）構成的光光纖是用折射率較高的媒質（如石英、玻璃、塑料等）構成的光通路。通路。它是由折射率它是由折射率 n1 較大（光密媒質）的纖芯和折射率較大（光密媒質）的纖芯和折射率 n2 較?。ü廨^小（光疏媒質）的包層構成的雙層（很細）同心圓柱結構。疏

16、媒質）的包層構成的雙層（很細）同心圓柱結構。光纖的中間部分是導光的纖芯，光纖的中間部分是導光的纖芯，纖芯的周圍是包層。纖芯的周圍是包層。包層媒質的折射率包層媒質的折射率 n2 略小于纖略小于纖芯的折射率芯的折射率 n1 ，它們的相對折射率差：它們的相對折射率差：（=1-n2/n1）通常為通常為0.0050.14。纖芯纖芯n1包層n2j光纖的結構及光導原理光纖的結構及光導原理媒質媒質1媒質媒質2krk包層n2媒質媒質217根據(jù)光學原理根據(jù)光學原理當光線以較小的入射角當光線以較小的入射角k 由光密媒質由光密媒質1 射向光疏媒質射向光疏媒質2（n1 n2）時，時，一部分光以折射角一部分光以折射角r

17、折射入媒質折射入媒質2，一部分以一部分以k 反射回媒質反射回媒質1。由光折射和反射的由光折射和反射的斯乃爾斯乃爾Snell 定律有：定律有：rknnsinsin21纖芯纖芯n1包層n2j光纖的結構及光導原理光纖的結構及光導原理媒質媒質1媒質媒質2krk包層n2媒質媒質218媒質媒質2（n2）媒質媒質1（n1）光在兩個媒質界面上的折射與反射光在兩個媒質界面上的折射與反射當當k 角逐漸增大，直到角逐漸增大，直到k =c 時，射入媒質時，射入媒質2中折射光沿界面?zhèn)鞑ブ姓凵涔庋亟缑鎮(zhèn)鞑ィ╮ = 90）。）。對應于對應于r = 90時的入射角時的入射角k 稱為臨界角稱為臨界角c12sinnnc當入射角當

18、入射角k c 時，入射光時，入射光不再折射入媒質不再折射入媒質2，而在媒，而在媒質質1（纖芯）內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)向（纖芯）內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)向前的全部反射，直至由終端前的全部反射，直至由終端面射出。這是光纖波導的工面射出。這是光纖波導的工作原理。作原理。rknnsinsin21aaakkrccccr= 90bbkcn1 n2191、數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑NA（Numerical Aperture）由斯乃爾由斯乃爾Snell 定律可導出光由折射率為定律可導出光由折射率為 n0 的空氣媒質（的空氣媒質（n0=1）中射中射入纖芯時實現(xiàn)全反射的臨界角（始端最大入射角）入纖芯時實現(xiàn)全反射的臨界角（始端最大入射角）即：即：i

19、與與r 的關系為：的關系為：jinnsinsin10纖芯n1包層n2in0=1j光纖的結構及光導原理光纖的結構及光導原理媒質1媒質2krk包層n2媒質2媒質0式中：i 從空氣中入射光纖的光的入射角j 從空氣中入射光纖的光的折射角k 從纖芯中入射包層的光的入射角r 從纖芯中入射包層的光的折射角 n0 媒質0 空氣的折射率 n1 媒質1 纖芯的折射率 n2 媒質2 包層的折射率rknnsinsin21jinnsin)(sin01三、光纖的重要參數(shù)三、光纖的重要參數(shù)20因為因為 j = 90-k所以所以kkkinnnnnn2010101sin1cos)90sin(sin將將sink =（n2 /n1

20、）sinr 帶入上式得：帶入上式得：rrinnnnnnn22221021201sin1)sin(1sin式中： n1 為纖芯折射率 n0 為入射光線所在空間的折射率 一般為空氣，空氣的折射率為n01纖芯n1包層n2in0=1j光纖的結構及光導原理光纖的結構及光導原理媒質1媒質2krk包層n2媒質2媒質0jinnsin)(sin0121NAnni22210sin式中： NA 定義為數(shù)值孔徑當當 n0=1時，上式為：時，上式為：rinn22221sinsin當當r = 90的臨界狀態(tài)時，的臨界狀態(tài)時，i =i 0 則上式為：則上式為：2221nnNA纖芯n1包層n2in0=1j光纖的結構及光導原理

21、光纖的結構及光導原理媒質1媒質2krk包層n2媒質2媒質0rrinnnnnnn22221021201sin1)sin(1sin纖維光學把上式中纖維光學把上式中 sini 0 定義為：定義為：NA數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑22由于由于n1與與n2相差較小，即相差較小，即n1+n22n1，故上式可為故上式可為2)( 2sin112110nnnnni式中：=（n1-n2）/n1 稱為相對折射率分析說明分析說明照射光纖入口端面的光，只有入射角為照射光纖入口端面的光，只有入射角為i arcsin NA 的那些光線才可的那些光線才可進入光纖被全反射傳播。進入光纖被全反射傳播。它表示無論光源發(fā)射功率多大，它表示無論光

22、源發(fā)射功率多大，只有只有i c ），則光線在界面上產(chǎn)生全反射。理想情況，光），則光線在界面上產(chǎn)生全反射。理想情況，光將無衰減地在纖芯內(nèi)傳播。當光線射入微彎區(qū)段的界面上時，入將無衰減地在纖芯內(nèi)傳播。當光線射入微彎區(qū)段的界面上時，入射角將小于臨界角（射角將小于臨界角（ 2，所以可以忽略式中的平方項，有，所以可以忽略式中的平方項，有（8-138-13）利用多普勒效應可以進行速度、流速、流量的測量。利用多普勒效應可以進行速度、流速、流量的測量。741、光纖多普勒流量計、光纖多普勒流量計v從激光器發(fā)出光以頻率從激光器發(fā)出光以頻率 f0 ，經(jīng)透鏡，經(jīng)透鏡4、光纖、光纖1、分光鏡、分光鏡3、分光鏡、分光鏡2

23、、透鏡透鏡1，照射到被測物體；，照射到被測物體；從被測物體反射出的光以頻率從被測物體反射出的光以頻率 f1，經(jīng)透鏡，經(jīng)透鏡1、分光鏡、分光鏡1、透鏡、透鏡3、光纖、光纖2，傳送到探測器，最后由頻譜儀接收。，傳送到探測器，最后由頻譜儀接收。由頻譜分析儀由頻譜分析儀處理，得到發(fā)處理，得到發(fā)出光頻率出光頻率f0和反和反射光頻率射光頻率f1的頻的頻率差。該頻率率差。該頻率差與被測物體差與被測物體的流速有關：的流速有關：f （v）光纖多普勒流量計原理圖光纖多普勒流量計原理圖光纖2探測器探測器頻譜頻譜分析儀分析儀透鏡3分光鏡1f1激光器激光器分光鏡2分光鏡3透鏡1透鏡2透鏡4f0光纖1下圖為光纖多普勒流量計原理圖。下圖為光纖多普勒流量計原理圖。75激光器布拉格盒血流探測器信號處理f0f1f0-f1f0ff0-f1f1 f2、光纖多普勒血流速度傳感器、光纖多普勒血流速度傳感器圖圖 光纖多普勒血液流動速度傳感器原理圖光纖多普勒血液流動速度傳感器原理圖光纖輸出f0f0混頻器如圖所示，激光器產(chǎn)生頻率為如圖所示，激光器產(chǎn)生頻率為 f f0 0 的光經(jīng)分束器分成兩束。其中一束被的光經(jīng)分束器分成兩