光纖傳感復(fù)習(xí)題

1、一、 簡(jiǎn)答1. 光纖作為傳感器的優(yōu)勢(shì)有哪些？ 光波不產(chǎn)生電磁干擾，也不怕電磁干擾。 光纖工作頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大。 容易接受被測(cè)量場(chǎng)的加載，是一種優(yōu)良的敏感元件。 光纖本身不帶電，體積小質(zhì)量輕，易彎曲，抗電磁干擾，抗輻射性能好。 2. 什么是光纖的損耗，損耗的機(jī)理是什么？ 光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，光功率會(huì)逐漸減少，這種現(xiàn)象稱為光線的損耗。 損耗的機(jī)理：損耗主要包括吸收損耗和散射損耗兩部分。 吸收損耗 是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的。 散射損耗 主要由材料微觀密度不均勻引起的瑞利散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。 瑞利(Rayleigh )散射損

2、耗是光纖的固有損耗，它決定著光纖損耗的最低理論極限。 3. 什么是光纖的色散，色散的分類有哪些？色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，由于不同成分的光的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。色散的種類： 模間色散、材料色散、波導(dǎo)色散、偏振膜色散4. 光纖技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域都有哪些？ 信息獲?。盒畔鬏敚盒畔⑻幚恚?其他應(yīng)用： 廣告顯示牌、激光手術(shù)刀、儀表照明、工藝裝飾、電力輸送、光纖面板 醫(yī)用內(nèi)窺鏡、潛望鏡5. 按照光受被測(cè)量調(diào)制形式的不同，光纖傳感器可以分為哪些類型？ (a) 強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器 (b) 偏振調(diào)制型光纖傳感器 (c) 頻率調(diào)制型光纖傳感器 (d) 相位調(diào)制型光纖傳感器

3、 (e) 波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器 (f)分布式光纖傳感器（多點(diǎn)）6. 光源有哪些主要類型，按照光纖在傳感器中的作用可以把光纖傳感器分為哪幾類？ 光源類型：半導(dǎo)體激光二極管或稱激光器(LD) 發(fā)光二極管或稱發(fā)光管(LED) 分布反饋激光器(DFB - LD) (a) 功能型（全光纖型）光纖傳感器 (b) 非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器 (c) 拾光型光纖傳感器7. 常見的光纖光柵有哪兩類，分別的技術(shù)特點(diǎn)是什么？ 一般實(shí)際應(yīng)用中，均按光纖光柵周期的長(zhǎng)短分為短周期光纖光柵和長(zhǎng)周期光纖光柵兩大類。周期小于1m的光纖光柵稱為短周期光纖光柵，又稱為光纖布拉格光柵或反射光柵；把周期為幾十至幾百微米的光纖光柵

4、稱為長(zhǎng)周期光纖光柵，又稱為透射光柵。 短周期光纖光柵的特點(diǎn)是傳輸方向相反的兩個(gè)芯模之間發(fā)生耦合，屬于反射型帶通濾波器。 長(zhǎng)周期光纖光柵的特點(diǎn)是同向傳輸?shù)睦w芯基模和包層模之間的耦合，無后向反射，屬于透射型帶阻濾波器。8. 在光纖相位傳感器中，光束干涉法使用的干涉儀有哪些？ 馬赫-增干涉儀（M-Z光纖干涉儀）、邁克爾遜光纖干涉儀、斐索光纖干涉儀、薩格奈克Sagnac干涉儀 三光束干涉法（三光束光纖干涉儀） 多光束干涉法（法布里-珀羅Fabry-Perot干涉儀、微分干涉儀） 環(huán)形干涉法等9. 在光纖強(qiáng)度傳感器中，非功能型使用的調(diào)制類型有哪些？1） 光束切割型光強(qiáng)調(diào)制2）光閘型光強(qiáng)調(diào)制 3） 松耦合

5、式光強(qiáng)調(diào)制 4）物理效應(yīng)型光強(qiáng)調(diào)制10. 按照尋址方式的不同，準(zhǔn)分布式光纖傳感可分為哪幾類？ 時(shí)分復(fù)用（TDM) 波分復(fù)用（WDM) 偏分復(fù)用（PDM) 空分復(fù)用（SDM) 頻分復(fù)用（FDM) 混合復(fù)用（多種不同類型的復(fù)用系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)）11. 什么是光的頻率調(diào)制，目前較多采用哪種調(diào)制方式？ 光頻率調(diào)制，是指外界信號(hào)（被測(cè)量）對(duì)光纖中傳輸?shù)墓獠l率進(jìn)行調(diào)制，頻率偏移即反映被測(cè)量。目前使用較多的調(diào)制方法是多普勒法，即外界信號(hào)通過多普勒效應(yīng)對(duì)接收光纖中的光波頻率實(shí)施調(diào)制，是一種非功能型調(diào)制。12. 光的躍遷可分為哪幾類，激光器如何實(shí)現(xiàn)激光輻射？光的躍遷類型：受激吸收 自發(fā)輻射 受激輻射半導(dǎo)體激光器是

6、向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流， 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。13. 常見的光檢測(cè)器有哪兩類，各自的特點(diǎn)是什么？ PIN光電二極管： PD中加了一個(gè)I區(qū)，大大地提高了響應(yīng)速度，I層很厚， 吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子 - 空穴對(duì)，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。 雪崩光電二極管（APD）：外加200V的電流值形成了一個(gè)雪崩區(qū)，于是形成了g 的倍增因子，但是缺點(diǎn)是噪聲也同時(shí)增加了。14. 光電二極管和激光器的異同點(diǎn)是什么？LD 和LED的區(qū)別 LD發(fā)射的是受激輻射光 LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光 LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，

7、大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔， 沒有閾值。二、 分析計(jì)算1. 某光纖為SIF光纖，已知n1=1.52, n2=1.49（1）光纖浸在水中（n0=1.33），求光從水中入射到光纖輸入端面的最大接收角 （2） 光纖放置在空氣中，求數(shù)值孔徑。2. 常見的石英晶體光纖可以分為哪三種基本類型？若某均勻光纖纖芯和包層的折射率分別為:n1=1.50, n2=1.45,纖芯半徑a=2.5um計(jì)算（1）相對(duì)折射率差 （2）光纖的數(shù)值孔徑NA （3）在1米長(zhǎng)的光纖上，由子午線的光程差引起的最大時(shí)延差（4）若工作波長(zhǎng)為1.55 um，此光纖工作在單

8、模還是多模狀態(tài)？答案：分類：(a) 階躍型多模光纖SIF (b) 漸變型多模光纖 GIF （c） 單模光纖 SMF4） a=2.5um =1.55um單模傳輸條件為： 將a、代入公式 求得V3.89 因?yàn)?.89>2.405，所以此光纖工作在多模狀態(tài)。3.光源為半導(dǎo)體激光器采用GaAs材料，其禁帶寬度Eg=1.42eV，求它的發(fā)光波長(zhǎng)。接收采用GaAs PIN光電二極管，平均每?jī)蓚€(gè)入射光子產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)，假設(shè)所有的電子都被收集。（1）計(jì)算該器件的量子效率（2）設(shè)在0.8m波段的接收功率是10-7W，計(jì)算平均輸出光電流和響應(yīng)度（3）計(jì)算這個(gè)光電二極管的長(zhǎng)波長(zhǎng)截止點(diǎn)。答案：發(fā)波光長(zhǎng)：1

9、）2） e為常數(shù)， 得出光電流=3.23*10e-8響應(yīng)度： 3） 長(zhǎng)波長(zhǎng)截止點(diǎn)跟材料有關(guān)系4. 某光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器的光源采用LED，發(fā)射功率為Pin=5mw，接收光功率為Pr=0.1mw，已知此傳感器的敏感元件標(biāo)準(zhǔn)情況下的光損為=3dB，則使用損耗系數(shù)為0.2dB/km的光纖傳光的話，最遠(yuǎn)傳輸距離為多少？答案：發(fā)光功率： 接收功率光損+光路損耗 若要最遠(yuǎn)傳輸： 傳輸距離： 因?yàn)楣饴窞橥稻€路，所以L應(yīng)為最大值的一半35km5. 以下為加速度傳感器的工作原理圖a) 請(qǐng)描述其工作原理當(dāng)框架隨振動(dòng)物體做低頻振動(dòng)時(shí)重物上產(chǎn)生一個(gè)與運(yùn)動(dòng)方向相反的慣性力，f=ma。（x發(fā)生相應(yīng)變化，其變化量x與慣性

10、力成比例，即與物體的振動(dòng)加速度成比例。）振動(dòng)緩慢時(shí)，即可測(cè)出加速度到達(dá)固有頻率時(shí)，傳感器不能測(cè)量出真實(shí)的，僅起位移作用，太大，可測(cè)量位移量高于固有頻率時(shí)，振動(dòng)幅度變小了，不是正比例于，不能測(cè)出綜上所述，要做一個(gè)加速度傳感器，應(yīng)嚴(yán)格控制固有頻率值，使振動(dòng)頻率小于固有頻率，才能作為加速度傳感器。（光纖加速度傳感器最適合測(cè)量微小振動(dòng)加速度。） b)分析其工作過程 振動(dòng)加速度傳感器原理 當(dāng)框架隨振動(dòng)物體做低頻振動(dòng)時(shí)重物上產(chǎn)生一個(gè)與運(yùn)動(dòng)方向相反的慣性力，f=ma。由于慣性力的作用，引起重物相對(duì)于框架作加速運(yùn)動(dòng)，這時(shí)框架與重物之間的距離x發(fā)生相應(yīng)變化，其變化量x與慣性力成比例，即與物體的振動(dòng)加速度成比例。

11、如圖所示，它是把由重物、彈簧、阻尼、減震器組成的振子固定在框架上構(gòu)成的。外框中間由彈簧連著一個(gè)重物，彈簧帶動(dòng)m上下振動(dòng)，根據(jù)，得知，利用減震器穩(wěn)定重物上下移動(dòng)的距離，測(cè)量x值，得出，正比于，測(cè)出即可得出。6. 以下為光纖多普勒測(cè)速裝置的工作原理圖1） 請(qǐng)描述其工作原理多普勒頻移原理：物體輻射的波長(zhǎng)因?yàn)椴ㄔ春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高 （blue shift）；當(dāng)運(yùn)動(dòng)在波源后面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，頻率變得較低 （red shift）；波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。根據(jù)波紅（藍(lán)）移的程度，可以計(jì)算出波源循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速

12、度。 2）分析其工作過程 激光器發(fā)射激光穿過透鏡，進(jìn)入具有分光作用的偏振光器，有部分激光送到B端面，其中激光一部分入射進(jìn)入B端面，一部分反射又通過偏振光器回到激光器里。入射光經(jīng)過光纖到達(dá)A端面，使運(yùn)動(dòng)粒子發(fā)生散射，由于平移關(guān)系，原有1與散射光2是否一致，利用1、2的關(guān)系，求出運(yùn)動(dòng)物體的速度v。 系統(tǒng)又附加了使讓偏振態(tài)一致的偏振校正器，一部分光經(jīng)過偏振校正器，透過接收透鏡發(fā)射到光探測(cè)器，光探測(cè)器把接收的光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，送到信號(hào)處理裝置，進(jìn)而輸出。7. 以下為Michelson干涉式光纖聲發(fā)射傳感器的工作原理圖（1） 請(qǐng)分析其工作過程（描述外界聲信號(hào)是如何影響光纖相位變化）激光器發(fā)出的光注入到耦合

13、器，被3dB耦合器分成兩束光，一束光在參考臂光纖中傳播，另一束光在傳感臂光纖中傳輸，外界信號(hào)S(t)作用在傳感臂光纖上，外界因素引起傳感臂與參考臂之間的相位差，光到達(dá)光纖的反射端面發(fā)生全反射，回程光在參考臂和傳感臂中傳輸，通過3DB耦合器分光回到光電探測(cè)器中，通過光電探測(cè)器探測(cè)接收到的干涉信號(hào)條紋的變化，反映外界聲信號(hào)的變化。（2）使用的激光器為L(zhǎng)D，若工作物質(zhì)為GaAs，則它的發(fā)射波長(zhǎng)是多少？工作物質(zhì)為InGaAs，發(fā)射波長(zhǎng)又為多少？（GaAs：Eg=1.43eV InGaAs: Eg=0.96eV）（1）（2）8. 以下為單光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)的工作原理圖1） 請(qǐng)描述其工作原理 光強(qiáng)調(diào)制是光

14、纖傳感技術(shù)中相對(duì)比較簡(jiǎn)單，用的最為廣泛的一種調(diào)制方法?；驹硎抢猛饨缧盘?hào)擾動(dòng)改變光強(qiáng)(調(diào)制），在通過測(cè)量光強(qiáng)變化（解調(diào)）實(shí)現(xiàn)對(duì)外界信號(hào)的測(cè)量。外界信號(hào)控制發(fā)射光纖（接收光纖）出射端（入射端）；產(chǎn)生相應(yīng)的線位移或角位移，導(dǎo)致進(jìn)入接收光纖的光束被切割，從而對(duì)光纖傳輸?shù)墓鈴?qiáng)進(jìn)行調(diào)制。 2）分析其工作過程將光纖的端部拋光成45º的圓錐面。當(dāng)光纖處于空氣中時(shí)，入射光大部分能在端部滿足全反射條件而返回光纖。當(dāng)傳感器接觸液體時(shí)，由于液體的折射率比空氣大，使一部分光不能滿足全反射條件而折射入液體中，返回光纖的光強(qiáng)就減小。將兩個(gè)光纖探頭分別置于液面下和液面上，利用X形耦合器，由于不同介質(zhì)的折射率不

15、同，造成液面上的反射光能強(qiáng)，液面下的反射弱。如果發(fā)生液面升高現(xiàn)象，兩個(gè)探頭折射率一致，出現(xiàn)探測(cè)結(jié)果不同，于是報(bào)警。即可構(gòu)成具有兩個(gè)探頭的液位報(bào)警傳感器。同樣，若在不同的高度安裝多個(gè)探頭，則能連續(xù)監(jiān)視液位的變化。三、 綜合1、下圖為光纖電流傳感器的原理圖，請(qǐng)分析說明（1）此傳感器的工作原理和工作流程（2）屬于功能型還是非功能型（3）此傳感器的調(diào)制類型（4）此傳感器可用于什么場(chǎng)合？答案：（1）工作原理：光偏振調(diào)制，是指外界信號(hào)（被測(cè)量）通過一定方式使光纖中光波的偏振面發(fā)生規(guī)律性偏轉(zhuǎn)或產(chǎn)生雙折射，從而導(dǎo)致光的偏振特性變化，通過檢測(cè)光的偏振變化即可測(cè)出外界被測(cè)量。 物質(zhì)在磁場(chǎng)的作用下使通過的平面偏振光

16、的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為磁致旋光效應(yīng)或法拉第（Faraday）效應(yīng)。即處于磁場(chǎng)中的光纖會(huì)使在光纖中傳播的偏振光發(fā)生偏振面的旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度與磁場(chǎng)強(qiáng)度H、磁場(chǎng)中光纖的長(zhǎng)度L成正比式中V是菲爾德（Verket）常數(shù)，是光纖的材料常數(shù)。由于載流導(dǎo)線在周圍空間產(chǎn)生的磁場(chǎng)滿足安培環(huán)路定律，對(duì)于長(zhǎng)直導(dǎo)線有H=I/（2R），因此只要測(cè)量，L，R的值，就可以由求出長(zhǎng)直導(dǎo)線中的電流I。 工作過程：從激光器1中發(fā)出的激光束經(jīng)起偏器2、物鏡3耦合進(jìn)入單模光纖4。6是高壓載流導(dǎo)線，通過其中的電流為I。5是繞在導(dǎo)線上的光纖，在這一段光纖上產(chǎn)生磁光效應(yīng)，使通過光纖的偏振光產(chǎn)生一角度為的偏振面的旋轉(zhuǎn)。出射光經(jīng)偏振棱

17、鏡8把光束分成振動(dòng)方向垂直的兩束偏振光。再通過光探測(cè)器7變?yōu)殡娦盘?hào)，分別送進(jìn)信號(hào)處理單元9進(jìn)行運(yùn)算。最后計(jì)算輸出的將是函數(shù)（2） 屬于功能型（3） 偏振態(tài)調(diào)制型（4） 應(yīng)用：最典型的例子就是電力系統(tǒng)中高壓傳輸線用的光纖電流傳感器2. 下圖為光纖長(zhǎng)周期光柵折射率傳感示意圖，請(qǐng)分析說明（1）此傳感器的工作原理、過程及應(yīng)用（2）如何進(jìn)一步提高靈敏度（3）屬于功能型還是非功能型（4）此傳感器的調(diào)制類型答案：（1）光波長(zhǎng)調(diào)制，是指外界信號(hào)（被測(cè)量）通過選頻、濾波等方式改變光纖中傳輸光的波長(zhǎng)，測(cè)量波長(zhǎng)變化即可檢測(cè)到被測(cè)量，這種調(diào)制方式稱為光波長(zhǎng)調(diào)制。長(zhǎng)周期光纖光柵是一種透射型光纖光柵，無后向反射，在傳感測(cè)

18、量系統(tǒng)中不需要隔離器，測(cè)量精度高。LPG的耦合發(fā)生在芯層導(dǎo)模與同向傳輸?shù)陌鼘幽Ｖg，因包層的漸逝場(chǎng)分布延伸到了包層外的介質(zhì)中。這決定了LPG本質(zhì)上對(duì)外界折射率非常敏感，尤其是當(dāng)外界折射率接近包層折射率時(shí)更加敏感。過程：輸入光纖的光模式包括芯模和包層模，當(dāng)?shù)竭_(dá)LPG光柵處，發(fā)生芯模繼續(xù)沿著光纖纖芯進(jìn)行傳輸，而包層模發(fā)生漸逝場(chǎng)的延伸與周圍介質(zhì)直接接觸，于是在終端接收處反映了周圍介質(zhì)的變化量，對(duì)應(yīng)輸出為多強(qiáng)度震蕩。應(yīng)用：直接用LPG可以實(shí)現(xiàn)折射率的測(cè)量、用于化學(xué)濃度的指示等。（2） 根據(jù)工作原理，（人們提出了應(yīng)用不同光纖光柵來實(shí)現(xiàn)折射率的傳感，并提出了許多種方法或手段來提高測(cè)量靈敏度，如腐蝕或側(cè)面拋磨的FBG、LPG、閃耀光柵、多模光纖LPG、FBG構(gòu)成的FFPI以及LPG構(gòu)成的M-Z干涉儀等）（3） 功能型（4） 波長(zhǎng)調(diào)制型3.下圖為膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖，請(qǐng)分析說明（1）此傳感器的工作原理和工作流程（2）屬于功能型還是非功能型（3）此傳感器的調(diào)制類型（4）此傳感器可用于什么場(chǎng)合？ 答案：（1）利用彈性體的受壓變形，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成位移信號(hào)，控制發(fā)射光纖（接收光纖）出射端（入射端）；產(chǎn)生相應(yīng)的線位移或角位移，導(dǎo)致進(jìn)入接收光纖的光束被切割，從而對(duì)光纖傳輸?shù)墓鈴?qiáng)進(jìn)行調(diào)制。 因此，只要設(shè)計(jì)好合理的彈