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1 相关知识
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2 实训5-3
1.光纤
光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。光纤在通信、医疗、传感器、艺术装饰等方面有很多应用，例如医疗用的内窥镜、将光纤做成光缆后用于通信行业传输信息，还有用于室内装饰的光纤灯。
图5-23 光纤
（1）光的全反射
图5-24 光的全反射
当光由光密物质出射至光疏物质（即n1>n2）时，一部分光线会以折射入光疏介质，其余部分光线反射回光密物质。
（5-17）
逐渐增大入射角，则对应的折射角也会进一步增大，当入射角进一步增大时，折射光线只能在两种介质的分界面上传播，此时所对应的的入射角我们称为临界角，用θio表示。
（5-18）
当入射角继续增大，入射光线不再发生折射，全部反射回光密介质，这就是光的全反射。
（2）光纤的结构和分类
① 光纤的结构
光纤的典型结构是一种细长
多层同轴圆柱形实体复合纤维，从内向外为纤芯、包层、涂覆层，如图5-25所示。
光纤的核心是纤芯和包层。纤芯由直径5-75um的石英玻璃组成，包层为直径100-200um，折射率略低于纤芯，这是为了能够让光线在光纤中以全反射的形式传输。涂敷层由硅酮或丙烯酸盐材料构成用于隔离杂光，给光纤提供一定的机械保护。
图5-25 光纤的结构
② 光纤的分类
按纤芯和包层材料性质分类为玻璃光纤、塑料光纤、液芯光纤等。
按纤芯的折射率分布的不同可以分阶跃型、梯度型和W型三种。
按照光纤的传输模式可以分成单模光纤和多模光纤。
纤芯的直径和折射率决定了光纤的传输特性。
图5-26 光纤类型和全反射形式
单模光纤纤芯直径只有8~10 μm，接近于被传输光波的波长，光以电磁场“模”的原理在纤芯中传导，能量损失很小，其信号畸变很小,用在大容量长距离的系统。
阶跃型的纤芯折射率分布和单模光纤相似。这种光纤一般纤芯直径为50~80μm，光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致,特点是信号畸变大,只能用于小容量短距离系统。
渐变型光纤的的折射率在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。纤芯直径为50μm，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小,适用于中等容量中等距离系统。
2．光纤传感器
（1） 光纤传感器
光纤传感器是一种以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感器。
光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控。
光波不怕电磁干扰，易被各种光探测器件接收，可方便的进行光电或电光转换，易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配。
（2）光纤传感器的分类
功能型（全光纤型）光纤传感器利用光纤本身感受被测量变化而改变传输光的特性，光纤既是传光元件，又是敏感元件。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来被测量的检测，所以这类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。
图5-27 光纤陀螺 图5-28 光纤水听器
功能型光纤传感器的优点是结构紧凑、灵敏度高。 缺点是必须用特殊光纤，成本高。
非功能型（或称传光型）光纤传感器是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅起导光作用，被测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的，光纤的状态是不连续的。
图5-28 非功能型光纤传感器
此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。
