[工學]光纖及光纖傳感器(文件)
【正文】 12s i n21s i n1nnnn?????反射角入射角發(fā)生全反射為臨界入射角，此時，當)1(12a r c s i n12s i n902ccnncnnc???????????折射角大于入射角 光 纖 傳 感 器 一 、 光纖傳感器是 20世紀 70年代中期發(fā)展起來的一門新技術 , 它是伴隨著光纖及光通信技術的發(fā)展而逐步形成的 。 (4)如不受電磁干擾 , 靈敏度高 , 耐腐蝕 ,電絕緣 、 防爆性好 。 二 、 1． 光纖的結構 光導纖維簡稱為光纖 , 目前基本上還是采用石英玻璃 , 其結構示于圖 8 27。 光纖的導光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì) , 而光纖的機械強度由保護套維持 。 設有一段圓柱形光纖 , 如圖 8 28所示 , 它的兩個端面均為光滑的平面 。 實際工作時需要光纖彎曲 , 但只要滿足全反射條件 , 光線仍繼續(xù)前進。 輸入 輸入 輸出 輸出 低數(shù)值孔徑 NA 高數(shù)值孔徑 NA NA NA 外徑一般為 125um(一根頭發(fā)平均 100um) 內(nèi)徑：單模 9um 多模 50/ 單模 一種光纖類型，光以單一路徑通過這種光纖。 125 9 50 125 125 光纖的尺寸 傳播損耗 ? 損耗原因： 光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲處的輻射損耗等的影響 0201 IA a l gI??傳播損耗（單位為 dB） 式中 , I——光纖長度； a——單位長度的衰減； I0——光導纖維輸入端光強； I——光導纖維輸出端光強。 另一類是非功能型 （ 傳光型 ） 傳感器 。 它是基于光纖微彎而產(chǎn)生的彎曲損耗原理制成的 。 當光線射入微彎曲段的界面上時 ,入射角將小于臨界角 （ φ＞ φc ） 。 波形板一般采用尼龍 、 有機玻璃等非金屬材料制成 。 參見圖 830。另外 ,它還有靈敏度較高（能檢測小至 100μPa的壓力變化）、結構簡單、動態(tài)范圍寬、線性度較好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。 根據(jù)工作原理可分為相位調(diào)制型 、 光強調(diào)制型和偏振光型等 。 這個性質(zhì)反映在半導體 (如 砷化鎵 )的透光性上則表現(xiàn)為：當溫度升高時，其透射率曲線將向長波方向移動。 ３． 光纖反射式位移傳感器 A B C D Z O U 反射式光纖位移傳感器原理圖 采用彈性元件的光纖壓力傳感器 膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖 膜片的中心撓度 y 若利用 Y形光纖束位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測壓力呈線性關系。用傳像束可以對圖像進行傳遞、分解、合成和修正。 ? 適用于強腐蝕性等惡劣環(huán)境中安全工作。 光纖傳感器的特點 。 ? 頻帶寬，有利于實現(xiàn)超高速測量。 ? 有較好的靈敏度、線性度和動態(tài)范圍。傳像束由玻璃光纖按陣列排列而成。 相對發(fā)光強度 透射率 LED發(fā)光光譜 半導體透射率 T1T2T3 T3 T1 T2 波長 半導體透射測量原理 這種傳感器的基本原理是利用了多數(shù)半導體的能帶隨溫度的升高而減小的特性 , 材料的吸收光波長將隨溫度增加而向長波方向移動 , 如果適當?shù)剡x定一種波長在該材料工作范圍內(nèi)的光源 , 那么就可以使透射過半導體材料的光強隨溫度而變化 , 從而達到測量溫度的目的 。 傳感器是由半導體光吸收器 、 光纖 、 發(fā)射光源和包括光控制器在內(nèi)的信號處理系統(tǒng)等組成 。 微彎式光纖壓力傳感 ? 基于光纖的 微彎效應 ，即由壓力引起變形器產(chǎn)生位移，使光纖彎曲而調(diào)制光強度。 通過檢測泄漏出包層的散射光強度或光纖芯透射光強度就能測出位移 （ 或壓力 ） 信號 。 當活動板受到微擾 （ 位移或壓力 ） 作用時 ,光纖就會發(fā)生周期性微彎曲 ,引起傳播光的散射損耗 ,使光在芯模中重新分配： 一部分光從芯模 （ 傳播模 ） 耦合到包層模 （ 輻射模 ） ；另一部分光反射回芯模 。 基于這一原理 ,人們研制成了光纖微彎曲傳感器 （ 如圖 829所示 ） 。 假如光線在光纖的直線段以大于臨界角射入界面 （ φ＞ φc ） ,則光線在界面上產(chǎn)生全反射 。 三、 光 源 光敏元件 被測對象 測得信息 光導纖維 功能型傳感器 非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化 , 光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)。多用于家電、音響，以及短距的圖像傳輸。 多模 一種光纖類型，光以多重路徑通過這種光纖。 說明光纖集光本領的術語叫數(shù)值孔徑 NA, 021s i n22nnnNA c??? ?數(shù)值孔徑反映纖芯接收光量的多少。 若要在界面上發(fā)生全反射 , 則纖芯與界面的光線入射角 應大于臨界角 c, ???2222222222239。 2． 眾所周知 , 光在空間是直線傳播的 。 纖芯和包層主要由不同摻雜的石英玻璃制成 。 (6)可用于高溫 、 高壓 、 強電磁干擾 、 腐蝕等各種惡劣環(huán)境 。 (2) 頻帶寬動態(tài)范圍大 。隨后加拿大的 Rotest公司研制出了白光法布里 —珀羅光纖傳感器，該公司將這種傳感器用于橋梁結構中的的應力、應變、結構振動、結構損傷程度、裂縫的發(fā)生與發(fā)展等內(nèi)部狀態(tài)的檢測。 1999年 1月 4日，重慶市綦江縣連接老城和新城的虹橋像往常一樣迎接節(jié)后第一天忙碌返家的人流，也默默地迎接著自己出生以
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