光纖傳感技術(shù)讀書筆記

1、學(xué) 號： 光纖傳感技術(shù)題 目 光纖傳感技術(shù)學(xué) 院專 業(yè)班 級姓 名指導(dǎo)教師年月日光纖傳感技術(shù)學(xué)習(xí)體會這次有幸選到姜院士的課，真的是興奮又激動！光纖傳感技術(shù)這門課在姜院士的講解下，淺顯易懂，又引人入勝，雖然課時不多，但我卻學(xué)到了很多東西。高中物理學(xué)習(xí)光學(xué)知識的時候老師有講到過光纖，但也就是單純的分析某一單色光在光纖中的傳播路徑以及一些簡單的計算，對于老師提到的光纖通信，始終未能解惑。當(dāng)時疑惑的是光線在光纖中傳播是如何實現(xiàn)信息交換的，因為按照當(dāng)時的考試大綱是不講解光的調(diào)制的，而當(dāng)時的自己也以高考為重，未去深究，因此也就將這些疑惑埋藏在心中多年。所以，能選擇光纖傳感技術(shù)這門課程對本人來說還是很幸運很

2、激動的，一是能豐富自己的課外知識、拓展自己的認知面，二是有可能完成這門課程的學(xué)習(xí)之后我可以講埋藏心中多年的疑惑解除，一舉兩得。光纖傳感技術(shù)是二十世紀七十年代左右隨著光纖通信技術(shù)的萌芽而迅速建立起來的，通過以光波這一載體并光纖這一媒質(zhì)，起到具有感知與信號傳輸?shù)男滦蛡鞲屑夹g(shù)。作為被測量信號載體的光波和作為光波傳播媒質(zhì)的光纖，具有一系列獨特的、其他載體和媒質(zhì)難以相比的優(yōu)點?，F(xiàn)階段，光纖傳感領(lǐng)域在世界中的發(fā)展大致分為兩大方面：應(yīng)用開發(fā)與相關(guān)原理性研究。伴隨光纖技術(shù)的不斷成熟，實用化光纖傳感器的開發(fā)成為整個領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。當(dāng)前，中國光纖傳感器研究大多數(shù)基于于科研機構(gòu)與大專院校等，但依舊未完成由理論

3、實驗向產(chǎn)品實踐化的轉(zhuǎn)變過程。其中相對成熟的技術(shù)有：清華大學(xué)光纖傳感中心和總后共同研究開發(fā)的溫度測量系統(tǒng)和光纖油罐液位，已裝配運行數(shù)年；北京航空航天大學(xué)和總裝合作研制的光纖陀螺系統(tǒng)，現(xiàn)在的技術(shù)指標(biāo)是0.20/hr 。因為光纖傳感器未能超越產(chǎn)品化的限制，并且還未像光纖通信產(chǎn)業(yè)具有指數(shù)型增長的趨勢，許許多多和日常生活緊密聯(lián)系的傳感器應(yīng)用產(chǎn)品（如交通監(jiān)管、安全警報裝置等）和精密的測試儀器仍然依靠于進口，亟需拓展的領(lǐng)域非常廣闊。1 光纖導(dǎo)光的基本原理光纖是傳光的纖維波導(dǎo)或光導(dǎo)纖維的簡稱。多層同軸圓柱體是其典型代表性結(jié)構(gòu)，自外向內(nèi)為涂覆層、纖芯與纖芯。重要部分是包層與纖芯，其中纖芯是由高度透明材料制成，構(gòu)

4、成光波傳輸通道；包層與纖芯的折射率相比略小，可以使光波相對穩(wěn)定的進行傳導(dǎo)。纖芯粗細與材料加上包層的折射率，對光纖的特性起到?jīng)Q定性作用。涂覆層不僅起到了保護光纖不受環(huán)境因素的侵蝕、機械的擦傷，同時還又提高了光纖的柔韌性，具有延長光纖使用壽命的作用。根據(jù)不同折射率在橫截面上的分布形狀進行劃分，有漸變型 (梯度型) 光纖和階躍型光纖兩類。漸變型光纖纖芯的折射率隨著半徑的增加，依照一定的規(guī)律(如雙正割曲線、平方律等) 逐漸減少，纖芯的折射率不是線性常數(shù)。階躍型光纖在纖芯和包層交界處的折射率呈階梯形突變，纖芯的折射率和包層的折射率是均勻常數(shù)。根據(jù)光纖中傳輸模式不同，主要有單模光纖和多模光纖兩種。單模光纖

5、僅傳輸一種模式，在410區(qū)間內(nèi)，通常纖芯的直徑較細。但是多模光纖可傳輸多種模式，纖芯直徑較粗，主流應(yīng)用尺寸約為50。 按制造光纖所使用的材料進行區(qū)分，塑料包層石英纖芯、多組分玻璃纖維、有石英系列、全塑光纖等四種。在光通信中以石英光纖的使用為主，后面所說的光纖也主要是指石英光纖。此外，若按工作波長來進行區(qū)分，還可以分為長波長光纖和短波長光纖。 單模光纖以采用階躍折射率分布為主，多模光纖可以采用階躍折射率分布與漸變折射率分布。據(jù)此，石英光纖大體可以分為單模階躍折射率光纖和多模階躍、漸變折射率光纖等幾類。光波的波長相對光纖的幾何尺寸有相當(dāng)大的差距，根據(jù)射線光學(xué)理論的觀點進行光纖內(nèi)光線的研究，可直觀認

6、識光纖中光的傳播機理和一些必需理念。本節(jié)運用射線光學(xué)理論對漸變型及階躍型多模光纖的傳輸特性進行探究。射線光學(xué)的基本關(guān)系式遵其折射和反射的Fresnel定律。 光在分層介質(zhì)中的傳播。包層的折射率為，纖芯的折射率為，設(shè)。當(dāng)光線以較小的角入射到介質(zhì)界面時，一部分光進入了纖芯并產(chǎn)生折射，而部分光被反射。它們之間的相對大小取決于這兩種介質(zhì)的折射率大小。當(dāng)時，逐漸增大，進入纖芯的折射光線近一步趨向于界面，直到趨于90°。與此同時，進入纖芯的光照強度明顯減小且趨于0，而反射光照強度接逐漸接近入射光照強度。在的極值時，對應(yīng)的角被定義為臨界角。因為，所以當(dāng)臨界角時，入射光線將會全反射。需關(guān)注的還有，在

7、光線由折射率大的介質(zhì)進入到折射率小的介質(zhì)時（），才能在界面全反射。2 光纖傳感器的調(diào)制技術(shù)以及光信號的解調(diào)技術(shù)光纖傳感器的調(diào)制技術(shù)有四種：(1)強制調(diào)制；(2)相位調(diào)制；(3)偏振態(tài)調(diào)制；(4)頻率調(diào)制。強制解調(diào)有1)利用小的線位移或角位移進行強度調(diào)制；2)反射式強度調(diào)制；3)利用微彎產(chǎn)生損耗進行強度調(diào)制；4)利用折射率變化進行強度調(diào)制。相位調(diào)制是通過被測參量調(diào)制光纖中光的相位的原理，稱為相位調(diào)制。需要注意以下幾點：1)光敏器件不能直接測量相位變化，需通過干涉變化后方可測量。2)光波的相位由光纖波導(dǎo)物理長度、折射率及分、波導(dǎo)模的幾何尺寸的參量所決定。3)壓力、溫度、張力等被測參量可直接改變上述

8、波導(dǎo)參量。偏振態(tài)調(diào)制需要注意兩點：1)光敏器件不能直接測量光的偏振態(tài)，必須通過起偏器和檢偏器才能檢測其偏振狀態(tài)。2)偏振態(tài)調(diào)制主要是利用物質(zhì)的旋光性、法拉第效應(yīng)、克爾效應(yīng)、光彈效應(yīng)等。頻率調(diào)制是指頻率為f的光入射到相對探測器速度為V的物體上，則有。其中為運動物體反射光頻率。波長調(diào)制就是利用被測參量改變光纖中的波長。波長調(diào)制不受光強變化影響，但解調(diào)技術(shù)較復(fù)雜。其主要有熱-色調(diào)制和位移-波長調(diào)制。光纖干涉儀主要則有馬赫曾德爾光纖干涉儀，薩格納克光纖干涉儀，邁克爾遜光纖干涉儀，法布里珀羅（FP）光纖干涉儀。光信號的解調(diào)技術(shù)有(1)強度解調(diào)，(2)光波相位解調(diào)，(3)頻率解調(diào)，(4)波長(顏色解調(diào))，

9、(5)光譜儀解調(diào)。強度解調(diào)分為單光路微弱信號解調(diào)，雙光路弱光信號。光波相位解調(diào)有被動零差法、相位跟蹤零差法、外差法。波長(顏色)解調(diào)分為二波長單光路解調(diào)、二波長雙光路解調(diào)。光譜儀解調(diào)則有光纖光柵用于分布式光纖傳感系統(tǒng)。3 光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用3.1光強調(diào)制型光纖傳感器光強調(diào)制是光纖傳感技術(shù)中相對比較簡單，用得最廣泛的一種調(diào)制方法。其基本原理是利用外界信號（被測量）的擾動改變光纖中光（寬譜光或特定波長的光）的強度（即調(diào)制），再通過測量輸出光強的變化（解調(diào)）實現(xiàn)對外界信號的測量。 3.2 光相位調(diào)制型光纖傳感器光相位調(diào)制，是指外界信號（被測量）按照一定的規(guī)律使光纖中傳播的光波相位發(fā)生響應(yīng)的

10、變化，光相位的變化量即反映被測外界量。光纖傳感技術(shù)中使用的光相位調(diào)制大體有三種類型。一類為功能型調(diào)制，外界信號通過光纖的力應(yīng)變效應(yīng)、熱應(yīng)變效應(yīng)、彈光效應(yīng)及熱光效應(yīng)使傳感光纖的幾何尺寸和折射率等參數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光纖中的光相位變化，以實現(xiàn)對光相位的調(diào)制。第二類為薩格奈克效應(yīng)調(diào)制，外界信號（旋轉(zhuǎn)）不改變光纖本身的參數(shù)，而是通過旋轉(zhuǎn)慣性場中的環(huán)形光纖，使其中相向傳播的兩光束產(chǎn)生相應(yīng)的光程差，以實現(xiàn)對光相位的調(diào)制。第三類為非功能型調(diào)制，即在傳感光纖之外通過改變進入光纖的光波程差實現(xiàn)對光纖中光相位的調(diào)制。 3.3 光偏振調(diào)制型光纖傳感器偏振調(diào)制，是指外界信號（被測量）通過一定的方式使光纖中

11、光波的偏振面發(fā)生規(guī)律性偏轉(zhuǎn)（旋光）或產(chǎn)生雙折射，從而導(dǎo)致光的偏振特性變化，通過檢測光偏振態(tài)的變化即可測出外界被測量。  3.4 光波長調(diào)制型光纖傳感器 外界信號（被測量）通過選頻、濾波等方式改變光纖中傳輸光的波長，測量波長變化即可檢測到被測量，這類調(diào)制方式稱為光波長調(diào)制。目前用于光波長調(diào)制的方法主要是光學(xué)選頻和濾波。傳統(tǒng)的光波長調(diào)制方法主要有F-P干涉式濾光、里奧特偏振雙折射濾光及各種位移式光譜選擇等外調(diào)制技術(shù)。近20多年來，尤其近幾年迅速發(fā)展起來的光纖光柵濾光技術(shù)為功能型光波長調(diào)制技術(shù)開辟了新的前景。3.5 光頻率調(diào)制型光纖傳感器光頻率調(diào)制，是指外界信號（被測量

12、）對光纖中傳輸?shù)墓獠l率進行調(diào)制，頻率偏移即反映被測量。目前使用較多的調(diào)制方法為多普勒法，即外界信號通過多普勒效應(yīng)對接收光纖中的光波頻率實施調(diào)制，是一種非功能型調(diào)制。4 光纖傳感技術(shù)的未來發(fā)展趨勢光纖通信的迅猛發(fā)展帶動新型光器件和材料的不斷涌現(xiàn)，為光纖傳感系統(tǒng)的開發(fā)提供了必要的基礎(chǔ)。光纖傳感技術(shù)30多年來的發(fā)展已經(jīng)取得了長足的進步，主要體現(xiàn)在：進入了實用化階段；新的傳感原理不斷出現(xiàn)。但是發(fā)展現(xiàn)狀仍然遠遠不能滿足實際需要，還有許多待研究的課題：（1）實用化研究，尤其是性價比（2）應(yīng)用研究；（3）新型光纖傳感器的研究；（4）新型敏感材料的研究，新型專用光電子器件研究。因此，光纖傳感器的可能發(fā)展趨勢

13、有：（1）以傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題作為光纖傳感器的主要研究對象；（2）集成化光纖傳感器；（3）多功能全光纖控制系統(tǒng)；（4）開辟新領(lǐng)域。對于光纖傳感器的價格，由于光纖傳感器種類眾多，具體到光纖陀螺和光纖電流互感器，大概是同級別傳統(tǒng)傳感器的23倍。應(yīng)用的長期穩(wěn)定性和可靠性不夠、價格較高和對所獲得數(shù)據(jù)的智能化處理不足是阻礙大規(guī)模應(yīng)用的重要原因。 具體到行業(yè)應(yīng)用發(fā)展上，傳感技術(shù)應(yīng)用到各行各業(yè)，每個企業(yè)的市場進入能力是有限的，所以現(xiàn)在遍地開花，傳統(tǒng)傳感器行業(yè)有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈和利益鏈條，光纖傳感產(chǎn)業(yè)化要有長期抗戰(zhàn)的準備。光纖傳感器價格昂貴與規(guī)模相關(guān)，但光纖傳感背靠光通信產(chǎn)業(yè)，長期來看降成本沒有問題。光纖傳感的工程化研究是熱點，技術(shù)成熟度、成本、行業(yè)接受程度、是否有隱患，都需要時間的考驗。一個產(chǎn)業(yè)要遵循生命周期，光纖傳感還有