传感器原理及应用§6.1光纤的传光原理及特性§6.2光纤传感器§6.3功能型光纤传感器§6.4非功能型光纤传感器光纤传感器(FOSFiberOpticalSensor)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。光纤传感器的特点:§6.1光纤的传光原理及特性二、光纤的种类二、光纤的种类二、光纤的种类模的概念三、传光原理2、光纤导光原理产生全反射的最大入射角由斯乃尔定理得：3、数值孔径（NumericalAperture)四、光纤的特性吸收损耗：物质的吸收作用将使传输的光能变成热能，造成光能的损失。与组成光纤的材料的电子受激跃迁和分子共振有关。散射损耗：由于材料密度的微观变化，成分起伏，以及在制造光纤过程中产生的结构上的不均匀性或缺陷引起的。弯曲损耗：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成损耗。2.色散2.色散3、容量输入光纤的可能是强度连续变化的光束,也可能是一组光脉冲.因为色散现象，脉冲展宽，信号畸形，限制了光纤的信息容量和质量。光脉冲的展宽程度可用延迟时间来反映。4、抗拉强度可弯曲是光纤的突出优点。光纤的弯曲性与光纤的抗拉强度有关。抗拉强度大的光纤,不仅强度高,可挠性也好,同时,其环境适应性能也强。光纤的抗拉强度取决于材料的纯度、分子结构状态、光纤的粗细及缺陷等因素。5、集光本领光纤的集光本领与数值孔径有密切的关系。数值孔径大，集光本领也大。五、光纤的耦合光纤强耦合是光纤纤芯间形成直通,传输模直接进入耦合臂。光纤弱耦合是通过光纤的弯曲,或使其耦合处成锥状,于是,纤芯中的部分传导模变为包层模,再由包层进入耦合臂中的纤芯,形成传导模。(a)拼接型光纤耦合器（b）熔融拉锥型光纤耦合器(C)腐蚀光纤耦合器§6.2光纤传感器的分类及构成工作原理讨论：光是一种电磁波，它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即：A—电场E的振幅矢量；φ—光相位；ω—光波的振动频率；t—光的传播时间。可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，就可获得所需要的被测量的信息。2、光纤传感器的分类功能型（或称传感型、探测型）光纤传感器光纤不仅起传光作用,又是敏感元件,即光纤本身同时具有传、感两种功能。功能型光纤传感器是利用光纤本身的传输特性受被测物理量的作用而发生变化,使光纤中波导光的属性（光强、相位、偏振态、波长等）被调制这一特点,而构成的一类传感器。加长光纤的长度,可以得到很高的灵敏度。缺点是技术难度大,结构复杂,调整较困难。非功能型光纤传感器：光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。它是在光纤的端面或在两根光纤中间放置光学材料、机械式或光学式的敏感元件来感受被测物理量的变化,从而使透射光或反射光强度随之发生变化。特点是结构简单、可靠,技术上易实现。缺点是光纤不连续,灵敏度较低。图6.8光纤传感器的基本结构原理示意图（2）根据光受被测对象的调制形式光强调制型、偏振态调制型、频率调制型、相位调制型1）光强度调制型光纤传感器是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。2）偏振调制光纤传感器是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。3）频率调制光纤传感器是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。4）相位调制传感器利用各种干涉技术对光的相位变化进行测量的光纤传感器。其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。传感器3、光纤传感器所用器件§6.3功能型光纤传感器一、相位调制型光纤传感器相关的物理效应△Φ：光波相位角的变化量△L：光纤长度变化量△n1：纤芯折射率变化量εL：光纤轴向应变2、干涉检测原理结构：分束器1把激光器的输出光束分成两部分，经上、下光路的传输后又重新合路，使其在光检测器处互相干涉。特点：这种干涉仪灵敏度可精确到10-13nm。但实现非常困难，限制在实验室工作。说明：上面介绍的干涉仪,是由空气光路和多个光学器件(分束器和平面镜)组合而成的。目前能用于恶劣环境的极小、长寿命的固体激光器和光检测器，及一些光路元件，如腐蚀或搭接的光纤—光纤耦合器，