第11章光纖傳感測(cè)量

1、2022年6月15日星期三光電檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用第11章 光纖傳感測(cè)量任課教師：徐熙平目 錄11.1光導(dǎo)纖維的基本知識(shí) 光纖傳光原理、光纖分類、光纖的基本特性11.2光纖傳感器原理及應(yīng)用 光纖傳感器分類與特點(diǎn)、光纖傳感器、光變換器與光纖兼容第1111章 光纖傳感測(cè)量一、光導(dǎo)纖維的一、光導(dǎo)纖維的基本知識(shí)基本知識(shí)1、光纖傳光原理光纖傳光原理c21sin()2n02sin90n10sinsinnn0sinn11222222211121(1 cos)1 () nnnnnn第1111章 光纖傳感測(cè)量一、光導(dǎo)纖維的一、光導(dǎo)纖維的基本知識(shí)基本知識(shí)2、光纖的分類a）多模階躍折射率光纖 b）多模梯度折射率光纖 c）

2、單模小芯光纖芯皮型光纖結(jié)構(gòu) 光纖按結(jié)構(gòu)分，大體上有芯皮型光纖和自聚焦型光纖。芯皮型光纖又分為階躍折射率光纖和梯度折射率光纖。階躍折射率光纖是指徑向折射率分布從折射率高的纖芯直接變到折射率低的包層，即芯和包層的界面分明。梯度型光纖，其斷面徑向的折射率分布是從中心的高折射率逐漸變到包層的低折射率，光纖外面的包層既作為光學(xué)絕緣介質(zhì)，又起到內(nèi)芯的保護(hù)層的作用。第1111章 光纖傳感測(cè)量一、光導(dǎo)纖維的一、光導(dǎo)纖維的基本知識(shí)基本知識(shí)a）多模階躍折射率光纖 b）多模梯度折射率光纖 c）單模小芯光纖三類主要光纖的幾何形狀 光纖按其傳輸模式分有單模和多模之分。單模光纖細(xì)，芯徑一般小于10m，其斷面結(jié)構(gòu)芯細(xì)、包層

3、厚。多模光纖心徑大于50m，斷面結(jié)構(gòu)芯粗、包層薄，在光傳輸時(shí)有多種空間電磁場(chǎng)模式存在。相比之下單模光纖波形失真小，損耗小，近年來(lái)更加受到重視。 在傳輸光信息時(shí)，多采用光纜。光纜是將若干根光纖單絲集聚一束，然后再包覆一層尼龍或聚乙烯塑料，最外層為包層。a） b） c）第1111章 光纖傳感測(cè)量一、光導(dǎo)纖維的一、光導(dǎo)纖維的基本知識(shí)基本知識(shí)3、光纖的基本特性 衰減 光在光纖傳輸時(shí)其衰減主要由吸收損耗和散射損耗造成。吸收損耗有玻璃材料的本征吸收和雜質(zhì)吸收，散射損耗主要有本征散射和結(jié)構(gòu)不完善引起的散射。高硅氧（GeO2-P2O5-SiO2）光纖的損耗曲線第1111章 光纖傳感測(cè)量一、光導(dǎo)纖維的一、光導(dǎo)纖

4、維的基本知識(shí)基本知識(shí) 帶寬 脈沖光在光纖傳輸時(shí)，導(dǎo)致脈沖展寬的三個(gè)主要原因是模式色散、顏色（或材料）色散和波導(dǎo)（或結(jié)構(gòu)）色散。色散是指折射率及其他物理參數(shù)隨光的波長(zhǎng)變化而變化的現(xiàn)象，光纖的傳輸帶寬又受這些參數(shù)的限制，為方便起見(jiàn)，采用色散一詞來(lái)描述這些參數(shù)的變化。(1)不同的脈沖模式的激光在光纖傳輸時(shí)，它們將以不同的時(shí)間傳輸?shù)焦饫w的另一端，其結(jié)果是使激光脈沖加寬。(2)光纖玻璃材料的折射率隨入射光的波長(zhǎng)的改變而導(dǎo)致“顏色”或“材料”的色散。(3)與光纖結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)效應(yīng)相聯(lián)系的色散稱為波導(dǎo)色散。第1111章 光纖傳感測(cè)量一、光導(dǎo)纖維的一、光導(dǎo)纖維的基本知識(shí)基本知識(shí) 光纖作為傳輸介質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)1）現(xiàn)代光

5、纖具有極低的傳輸損耗，低的為 0.2dB/km。2）具有較大的頻帶寬度。3）抗電磁干擾和避免接地回路問(wèn)題，防止光纖間串?dāng)_，并可增大電磁的安全性。4）可利用豐富的硅、磷、鍺、硼等物質(zhì)來(lái)制造。5）光纖是高強(qiáng)度抗斷裂材料，具有體積小、重量輕及韌性好等優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)是應(yīng)變的效果還不很清楚；核輻射可使傳輸損耗增加，這將使有關(guān)的防御系統(tǒng)受到損害；小尺寸的光纖在加工和相互連接方面也增加了機(jī)械加工的難度。第1111章 光纖傳感測(cè)量二、光纖傳感器二、光纖傳感器原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用1、分類與特點(diǎn) 光纖本身是傳感介質(zhì)，被檢測(cè)的物理參數(shù)影響光纖，而使其傳輸特性產(chǎn)生適當(dāng)?shù)淖兓?光纖作為光導(dǎo)介質(zhì)，利用光纖把光引導(dǎo)到變換器

6、或從其中引出，該變換器能使物理參數(shù)改變兩種長(zhǎng)度纖維之間的耦合特性，或物理參數(shù)可引起光發(fā)射，發(fā)射的光由光纖收集并引向遠(yuǎn)距離探測(cè)器。 抗電磁干擾、安全性高、高電氣絕緣、無(wú)電源工作、可以用于各種高溫場(chǎng)合。具有低損耗的特點(diǎn)，可使用很長(zhǎng)的分布式傳感器。在已經(jīng)出現(xiàn)的基本光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡胤?，光學(xué)纖維兼容傳感器可產(chǎn)生許多附加的光學(xué)/電氣接口。第1111章 光纖傳感測(cè)量二、光纖傳感器二、光纖傳感器原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用2、光纖傳感器 相位調(diào)制傳感器 光纖中傳輸?shù)南喔晒馀c直接從光源來(lái)的光或通過(guò)隔離光纖傳導(dǎo)的光合成便產(chǎn)生干涉，構(gòu)成了一個(gè)靈敏的光學(xué)干涉儀，干涉信號(hào)再用現(xiàn)代化的光電線路處理就能檢測(cè)溫度、壓力及旋轉(zhuǎn)速率等參

7、量。光纖陀螺儀的原理示意圖第1111章 光纖傳感測(cè)量二、光纖傳感器二、光纖傳感器原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用 激光由分光器分為兩路光束：一路光束經(jīng)驅(qū)動(dòng)頻率為 的布拉格盒使激光產(chǎn)生分頻移 ；另一路光束輸入光纖聲光纖外差水聽(tīng)器原理圖傳感器被聲波相位調(diào)制，兩路光束在復(fù)合器進(jìn)行外差，得頻率為 的聲信息相位調(diào)制信號(hào)。相位調(diào)制信號(hào)由光敏二極管探測(cè)，再由電子學(xué)處理得到聲信息。yyy第1111章 光纖傳感測(cè)量二、光纖傳感器二、光纖傳感器原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用 振幅調(diào)制傳感器 振幅調(diào)制傳感器是基于光纖傳輸?shù)墓夤β时晃锢砹克{(diào)制的原理。微彎調(diào)制光纖傳感器示意圖 如果變形是由被檢測(cè)的壓力、振動(dòng)、位移及聲等參量引起的，那么對(duì)于

8、微小變形來(lái)說(shuō)，在芯或包層內(nèi)的光強(qiáng)波動(dòng)將與信號(hào)成正比?？赏ㄟ^(guò)檢測(cè)纖芯或包層的光強(qiáng)度大小來(lái)確定被測(cè)量。第1111章 光纖傳感測(cè)量二、光纖傳感器二、光纖傳感器原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用 抽頭纖芯直接與源纖維包層耦合。將強(qiáng)度為 的光引進(jìn)變形器，使源纖芯的光強(qiáng)減小了 ，變形器后面的源纖芯內(nèi)所剩下的光強(qiáng)為 ，離開(kāi)源纖芯的光強(qiáng)變量 被引入纖維包層。利用包層一纖維抽頭將包層的部分光由源纖維包層通微彎調(diào)制光纖傳感器示意圖0II0II入纖維探測(cè)器內(nèi)，通過(guò)監(jiān)視源纖維射出的光（亮場(chǎng)）或探測(cè)器纖維射出的光（暗場(chǎng)）即可檢測(cè)信號(hào)。在探測(cè)器纖維芯中的光強(qiáng)大小是 。K I第1111章 光纖傳感測(cè)量二、光纖傳感器二、光纖傳感器原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用3、光變換器與光纖兼容 光纖傳感器是光學(xué)變換器與光纖組合而成。這類傳感器分為兩種類型：一種是物理效應(yīng)導(dǎo)致光發(fā)射，另一種是光變換器對(duì)兩纖維間耦合的光進(jìn)行調(diào)制。 聚光纖維傳感器光能級(jí)傳感器檢測(cè)原理 入射能量對(duì)材料激勵(lì)而引起熒光或磷光材料的再發(fā)射，其發(fā)射的光譜成分與被檢材料的溫度或濃度有關(guān)。第1111章 光纖傳感測(cè)量二、光纖傳感器二、光纖傳感器原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用 光束調(diào)制傳感器 這種傳感器用兩纖維間耦合的部