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1.1光纤传感器的基本知识
1.1.1 光纤的结构 光纤是光导纤维的简称，形状一般为圆柱形，材料是高纯度的石 英玻璃为主，掺少量杂质锗、硼、磷等。光纤的结构如图所示。
纤芯的折射率比包层的折射率稍大，当满足一定条件时，光就 被“束缚”在光纤里面传播。
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1.1.2 光纤的传光原理
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单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长。其折射率分布均 为阶跃型。单模光纤原则上只能传送一种模数的光，常用于光 纤传感器。这类光纤传输性能好，频带很宽，具有较好的线性 度；但因芯小，难以制造和耦合。
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多模光纤允许多个模 数的光在光纤中同时 传播，通常纤芯直径 较大，达几十微米以 上。由于每一个“模” 光进入光纤的角度不 同，它们在光纤中走 的路径不同，因此它 们到达另一端点的时 间也不同，这种特征 称为模分散。特别是 阶跃折射率多模光纤， 模分散最严重。这限 制了多模光纤的带宽 和传输距离。
由斯涅尔定律得
sin c
n2 n1
临界角仅与介质的 折射率的比值有关
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当入射角 ＞1 c时，光线不会透过其界面，而全部反射到光密物
质内部，也就是说光被全反射。根据这个原理，如图所示，只要
使光线射入光纤端面的光与光轴的夹角 小于一0 定值，则入射到
光纤纤芯和包层界面的 角就满足1 小于临界角 的条件，光c 线就
3) 塑料光纤
用 人 工 合 成 导 光 塑 料 制 成 ， 其 损 耗 较 大 ， 当 时 ， 达 到 100 ～ 200 dB/km。但其重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导 光。
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2．按折射率分类 分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤，如图所示。在纤芯和 包层的界面上，纤芯的折射率不随半径而变,但在纤芯与包层界 面处折射率有突变的称为阶跃型；而光纤纤芯的折射率沿径向由 中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致的称为 渐变型。
1) 高纯度石英(SiO2)玻璃纤维
这种材料的光损耗比较小，在波长时，最低损耗约为 0.47 dB/km 。 锗 硅 光 纤 ， 包 层 用 硼 硅 材 料 ， 其 损 耗 约 为 0.5 dB/km。
2) 多组分玻璃光纤
用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤，在波长时， 最低损耗为3.4 dB/km。
射不出光纤的纤芯。光线在纤芯和包层的界面上不断地产生全反
射而向前传播，光就能从光纤的一端以光速传播到另一端，这就
是光纤传光的基本原理。
可以证明，该入射角为
sin0
1 n0
n12 n22
光 纤 的 “ 数 值 孔 径 ” NA ，
NAsin0n10 n12n22
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1.1.3 光纤的种类 1．按材料分类
如图，它指利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤 (或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感 器。功能性光纤传感器中光纤不仅起传光作用，而且还利用光 纤在外界因素的作用下，其光学特性(光强、相位、频率、偏 振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器 中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。 这类传感器主要使用单模光纤。
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渐变折射率多模光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴 线开始沿径向大致按抛物线形成递减，中心轴折射率最大，因 此，光纤在纤芯中传播会自动地从折射率小的界面向中心会聚， 光纤传播的轨迹类似正弦波形，如图所示，具有光自聚焦效果， 故渐变折射率多模光纤又称为自聚焦光纤。因此渐变折射率多 模光纤的模分散比阶跃型小得多。
示例：遮光式光纤温度计
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激光二极管
光源
发光二极管
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专用的光纤连接头及光纤插座 光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固 定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。
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光电转换器件采用光电二极管
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1.2 光纤传感器的分类及其工作原理
光纤传感器与电类传感器的对比
电
被
电源
类
测
电类传感器
电缆
传
参
电量检测
感
量
器
光源
光
被
纤
测
光纤传感器
光缆
传
参
光量检测
感
量
器
分类内容 调制参量 敏感材料 传输信号 传输介质
光纤传感器 光的振幅、相位、频率、偏振态 温-光敏、力-光敏、磁-光敏 光 光纤、光缆
电类传感器 电阻、电容、电感等 温-电敏、力-电敏、磁-电敏 电 电线、电缆
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1.2.1 光纤传感器分类 1．功能型光纤传感器
光纤传感器的特点:
①电绝缘性能好。 ②抗电磁干扰能力强。 ③高灵敏度。 ④容易实现对被测信号的远距离监控。
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
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如图，根据几何光学理论，当
光线以某一较小的入射角 ，由
折射 1 率为n1的光密物质射向折 射率为n2的光疏物质(即n1＞n2)
时，则一部分入射光以折射角 折射入光2 疏物质，其余部分以 角度反射回 1 光密物质，根据折 射定律(斯涅尔定律)，光折射和
反射之间的关系为：
n1sin1n2sin2
当光线的入射角 增 1 大到某一角度 时 ，c 透射入光疏物质的折射 光则沿界面传播，即 ＝902 °，称此时的入射角 为临界c 角。那么，
概论
光纤传感器(FOS： Fiber Optical Sensor)是20世纪70年 代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和 光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区 别。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。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。
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3．按光纤的传播模式分类 根据传输模数的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。
什么是光纤的传播模式 光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播 的两种平面波成分。后者在纤芯和包层的界面上会产生全反射。 当它在横切向往返一次的相位变化为 2 的整倍数时，将形成驻 波。形成驻波的光线组称为“模”；它是离散存在的，亦即一 定纤芯和材1.4 构成光纤传感器除光导纤维之外，还必须有光源和光探测器， 另外还有一些光无源器件。 光无源器件是一种不必借助外部的任何光或电的能量，由自身能 够完成某种光学功能的光学元器件，光无源器件按其功能可分为光 连接器件、光衰减器件、光功率分配器件、光波长分配器件、光隔 离器件、光开关器件、光调制器件等。