光導(dǎo)纖維與光纖傳感器

關(guān)于光導(dǎo)纖維與光纖傳感器第一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日例如，在石英中加入折射率低于石英的B2O3，即包層材料為B2O3·SiO2例如，在石英中加入折射率高于石英的GeO2或P2O3；稱(chēng)為鍺-硅光纖或磷-硅光纖。

纖芯是由玻璃、石英或塑料等制成的圓柱體，一般直徑約為5~150微米.

圍繞著纖芯的那一層叫包層，材料也是玻璃或塑料等。

纖芯的折射率n1(1.5)>包層的折射率n2(1.485)。

外套起保護(hù)光纖的作用，其折射率n3>包層的折射率

由于纖芯和包層構(gòu)成了一個(gè)同心圓雙層結(jié)構(gòu)，所以光纖具有使光束封閉在纖芯里面?zhèn)鬏數(shù)墓δ?。通常人們又把較長(zhǎng)的或多股的光纖稱(chēng)之為光纜。一光導(dǎo)纖維基礎(chǔ)知識(shí)（一）光纖的結(jié)構(gòu)光纖由纖芯、包層及外套組成纖芯包層套塑涂覆層芯包間相對(duì)折射率差為:第二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

梯度型光纖：纖芯內(nèi)的折射率從中心軸線開(kāi)始沿徑向按拋物線規(guī)律變化,中心軸線折射率最大,光在傳播中會(huì)自動(dòng)地從折射率小的界面處向中心會(huì)聚.

在纖芯內(nèi)，中心光線沿光纖的軸線傳播，通過(guò)軸線的子午光線呈正弦波曲線。

梯度型光纖又稱(chēng)為自聚焦光纖,其折射率分布為

纖芯的折射率n1分布均勻，固定不變；包層內(nèi)的折射率n2分布也大體均勻，但纖芯到包層的折射率變化呈臺(tái)階狀。

在纖芯內(nèi)，中心光線沿光纖的軸線傳播，通過(guò)軸線的子午光線呈鋸齒形軌跡。那么什么是子午光線？(二)光纖的種類(lèi)

(1)根據(jù)折射率的變化規(guī)律，光纖分為階躍型(StepIndexFiber)和梯度型(GradedIndexFiber)兩種

階躍型光纖:

折射率折射率第三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日歸一化頻率是光纖的最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，是一個(gè)直接與頻率成正比的無(wú)量綱的量，它能表征光纖中傳播模式的數(shù)量。

光纖中只允許傳播一個(gè)模式，即基模。V<2.405也就是單模光纖單模傳輸?shù)臈l件

單模光纖在給定的工作波長(zhǎng)上，只能傳輸單一基模（HE11），其它高階模均被截止。

(3)根據(jù)傳播波長(zhǎng)，光纖分為短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)兩種：短波長(zhǎng)是0.85微米，長(zhǎng)波長(zhǎng)是1.3和1.55微米

“麥?zhǔn)戏匠探M+光纖的邊界條件”的解就是光纖中的可能傳播的模式。

光纖中的模和光纖的性能參數(shù)有關(guān)：如纖芯直徑大小，折射率分布因子，光纖芯包的相對(duì)折射率差，數(shù)值孔徑和傳播的波長(zhǎng)等有關(guān)。

(2)根據(jù)傳輸模式，光纖分為單模和多模兩種

什么是光纖中的模式？

光纖中的模式：是指電磁場(chǎng)在光纖中可能的存在方式，可能的傳播方式。

光纖中的模大略可分為兩類(lèi)：傳導(dǎo)模和輻射模

在光纖中還有一個(gè)比較有用的歸一化頻率參數(shù)V第四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日（三）光纖的傳光原理當(dāng)光線以較小的入射角由光密媒質(zhì)n1射入光疏媒質(zhì)n2時(shí)若繼續(xù)加大入射角,使得折射角為90度，此時(shí)入射角為？

φ2折射光反射光φ1入射光折射率n2折射率n1界面法線

折射光若繼續(xù)加大入射角,光不再產(chǎn)生折射，而只有在光密媒質(zhì)中的反射，即形成了光的全反射現(xiàn)象第五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日本征吸收是物質(zhì)固有的,主要由紫外紅外波段電子躍遷與振動(dòng)躍遷引起.雜質(zhì)吸收由于材料的正過(guò)渡離子的電子躍遷和OH-的分子振動(dòng)引起.原子吸收由于強(qiáng)烈的熱和光或者輻射使光纖材料受激出現(xiàn)缺陷而致.

光纖的彎曲也會(huì)造成散射損耗：光纖邊界條件的變化，使光在光纖中無(wú)法進(jìn)行全反射傳輸。光纖的彎曲半徑越小，造成的散射損耗越大。

●多模短波長(zhǎng)(0.8-0.9μm)光纖為2.5dB/km-3dB/km；多模光纖損耗的指標(biāo)大致為：

散射損耗是由于光纖材料的不均勻或存在缺陷引起的。如瑞利散射就是由于材料的缺陷引起折射率隨機(jī)性變化所致。

例如:“1966年，高錕用純度極高的玻璃纖維在超過(guò)100km的距離以上成功傳輸了光信號(hào)，而在60年代普通的纖維只能傳輸光信號(hào)20m遠(yuǎn)?！?/p>

物質(zhì)對(duì)光的吸收作用將使傳輸?shù)墓饽茏兂蔁崮?，造成光能的損失

入射光纖中的光，由于存在著費(fèi)涅耳反射損耗、吸收損耗、全反射損耗以及彎曲損耗等，光纖不可能百分之百地將入射光的能量傳播出去。(四)光纖的傳輸特性表征光纖時(shí)的特性參數(shù)有：傳輸損耗色散容量

抗拉強(qiáng)度

集光本領(lǐng)1、傳輸損耗

當(dāng)光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng)，輸入與輸出的光功率分別為Pi和P0時(shí),光纖的損耗系數(shù)α光纖損耗主要包括吸收損耗和散射損耗

OH-離子難以根除,其分子振動(dòng)躍遷在波段0.85μm,1.31μm,1.55μm吸收很少,最小在1.55μm

吸收損耗包括:本征吸收,雜質(zhì)吸收和原子吸收.●多模長(zhǎng)波長(zhǎng)(1.5μm)光纖為1dB/km-1.5dB/km；●單模長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖為0.2dB/km-0.5dB/km。雜質(zhì)：金屬離子Fe、Co、Ni、Mn第六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日梯度型光纖的時(shí)延差為：對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖來(lái)說(shuō)，在1.3μm附近有零色散區(qū)，這是目前較長(zhǎng)距離大容量光纖通信選擇1.3μm為中心波長(zhǎng)的主要原因！模式色散實(shí)際是指光線到達(dá)接收端的時(shí)延差！階躍型光纖的時(shí)延差為：

材料的折射率隨波長(zhǎng)的變化而變化，因光信號(hào)中各波長(zhǎng)分量的群速度不同而引起的色散稱(chēng)為材料色散(又稱(chēng)為折射率色散)；

光纖的色散就是輸入脈沖在光纖內(nèi)的傳輸過(guò)程中，由于光波的群速度不同而出現(xiàn)的脈沖展寬現(xiàn)象。

由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不同，某一波導(dǎo)模式的傳播常數(shù)隨著信號(hào)角頻率變化而引起的色散稱(chēng)為波導(dǎo)色散(結(jié)構(gòu)色散)；

在多模光纖中由于各個(gè)模式在同一角頻率下的傳播常數(shù)不同，群速度不同而產(chǎn)生的色散稱(chēng)為多模色散(又稱(chēng)為模式色散)。

光纖色散使傳輸?shù)男盘?hào)脈沖發(fā)生畸變，從而限制了光纖的傳輸帶寬.2.色散

(1)材料色散(2)波導(dǎo)色散(3)多模色散三種色散的大小順序是:多模色散材料色散波導(dǎo)色散光纖色散材料色散波導(dǎo)色散多模色散單模光纖不存在模式色散,但由于它存在兩個(gè)相互垂直的線偏模,因此存在偏振色散對(duì)單模光纖而言：處衰減量較大，但總色散為0；處衰減量最小，但色散值較大；為了得到衰減量小，色散值為0的光纖，采用0色散遷移的辦法，把0色散位置從第七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

輸入光纖的可能是強(qiáng)度連續(xù)變化的光束,也可能是一組光脈沖,由于光纖色散現(xiàn)象,會(huì)使脈沖展寬,造成信號(hào)畸變,從而限制了光纖的信息容量和品質(zhì)。

設(shè)光源的中心頻率為，帶寬為，某一模式光的傳播常數(shù)為，則總的延遲增量為

式中：；，c為真空中的光速。3.容量光脈沖的展寬程度可以用延遲時(shí)間來(lái)反映。

光纖的彎曲性與光纖的抗拉強(qiáng)度有很大關(guān)系?？估瓘?qiáng)度大的光纖,不僅強(qiáng)度高,可撓性也好。同時(shí),其環(huán)境適應(yīng)性能也強(qiáng)。

4.抗拉強(qiáng)度

光纖的抗拉強(qiáng)度取決于材料的純度、分子結(jié)構(gòu)狀態(tài)、光纖的粗細(xì)及缺陷等因素。第八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日如果那么

光纖波導(dǎo)的弱導(dǎo)條件是光纖與微波介質(zhì)圓波導(dǎo)之間的重要差別之一.

弱導(dǎo)的基本含義：很小的折射率差就可能構(gòu)成良好的光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而且為工藝制造提供了方便。假設(shè)芯包間的相對(duì)折射率差為：

5.收光本領(lǐng)

光纖的數(shù)值孔徑NA定義為：當(dāng)光從空氣中入射到光纖端面時(shí)的光錐半角之正弦：

光錐的大小是使此角錐內(nèi)所有方位的光線一旦進(jìn)入光纖，就被截留在纖芯中，沿著光纖傳播。

對(duì)于階躍型光纖，其數(shù)值孔徑可表示為

光纖的集光本領(lǐng)與數(shù)值孔徑有密切的關(guān)系:數(shù)值孔徑只決定于光纖的折射率，與光纖的尺寸無(wú)關(guān)從真空入射時(shí)：光纖波導(dǎo)的弱導(dǎo)條件想一想：該公式是怎么得到的？

光纖可以做得很細(xì)使之柔軟、彎曲。當(dāng)光纖的數(shù)值孔徑最大時(shí)，光纖的集光本領(lǐng)也最大。數(shù)值孔徑的數(shù)值一般為：0.20-0.25A計(jì)算數(shù)值孔徑NA第九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日光纖耦合器是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)分路/合路的功能器件。

光纖弱耦合是通過(guò)光纖的彎曲或使其耦合處成錐狀.于是,纖芯中的部分傳導(dǎo)模變?yōu)榘鼘幽?再由包層進(jìn)入耦合臂中的纖芯,形成傳導(dǎo)模。

把光纖埋入玻璃塊的弧形槽中，將其側(cè)面研磨拋光，使光纖耦合處的包層厚度達(dá)到一定的要求，然后將兩根光纖拼接在一起。(五)光纖的耦合光纖的耦合分為強(qiáng)耦合和弱耦合兩種

光纖強(qiáng)耦合是光纖纖芯間形成直通，傳輸模直接進(jìn)人耦合臂

常用的耦合方式有三種：拼接型(2)將兩根光纖稍加扭絞，用微火炬對(duì)耦合部位進(jìn)行加熱，在熔融過(guò)程中拉伸光纖，最后拉細(xì)成型。熔融拉錐型

此時(shí),在兩根光纖的耦合部位形成雙錐區(qū),兩根光纖包層合并在一起,纖芯變細(xì)并靠近,形成了一個(gè)新的合成光波通路.根據(jù)靠近程度的不同,可構(gòu)成弱耦合或強(qiáng)耦合。

Pin耦合臂直通臂第十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

還可通過(guò)控制扭力或張力，調(diào)節(jié)光纖間距，以達(dá)到調(diào)節(jié)光纖耦合強(qiáng)弱的目的。(3)將光纖的局部外套去掉剝離護(hù)套扭絞固化然后進(jìn)行加固。腐蝕

腐蝕掉光纖耦合部位的大部分包層，并將兩根光纖的纖芯緊緊扭絞在一起；第十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

在檢測(cè)技術(shù)中光纖照明器常制成叉型，又叫做Y形光纖耦合器。合成一端作為探頭，探測(cè)待測(cè)信息；兩枝分束光纖一枝接受光源的光，另一枝輸出返回探頭的光，從而使光電探測(cè)器獲得所需的光信息。

二光導(dǎo)纖維的應(yīng)用

光導(dǎo)纖維除應(yīng)用于光通信,傳感器外,還可用于導(dǎo)光和傳像。（一）光纖在直接導(dǎo)光方面的應(yīng)用

利用光纖柔軟可彎曲的特點(diǎn)，可按需要制成各種導(dǎo)光器．1.光纖照明器

1)

線狀照明

光源所發(fā)之光經(jīng)透鏡進(jìn)入圓形光纖束的一端，另一端可以排成圓形、方形或三角形等多種形狀，實(shí)現(xiàn)所需形狀的光輸出。

光源所發(fā)的光匯聚進(jìn)入光纖束的一端，另一端按需要由多束光纖輸出，分別照明所需照明的位置。2)多路照明3）檢測(cè)照明第十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日2．光纖束行掃描器條狀光源

待測(cè)物

光電探測(cè)器

轉(zhuǎn)換器

多種光的合成:利用光纖比利用光學(xué)系統(tǒng)方便得多。3．光纖直接導(dǎo)光的應(yīng)用激光手術(shù)刀:利用光纖束傳輸激光，使激光能量以高入射功率密度(1~10W)聚焦在人體某部分組織表面上，輻射能被人體組織吸收、升溫、最后氣化而切除。激光加工、加熱，以及海底供能:采用光纖束傳輸能量是最佳的方案。

直線--圓環(huán)光纖轉(zhuǎn)換器和Z型導(dǎo)光管可以對(duì)移動(dòng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)圖象信號(hào)的采集。

條狀光源照明移動(dòng)的帶狀待測(cè)物的一行,線狀排列的光纖將光源所照明的那一行物體的信息采入，并傳遞到光纖圓環(huán)上。

Z型導(dǎo)光管以輸出光軸為旋轉(zhuǎn)軸掃描圓環(huán)，將圓環(huán)光纖輸出信息按時(shí)序由聚光鏡會(huì)聚于光電探測(cè)器上。光電探測(cè)器輸出的時(shí)序信號(hào)就是對(duì)待測(cè)物的掃描信號(hào)。第十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

利用光纖傳像束可彎曲的特點(diǎn)，可制成各種內(nèi)窺鏡，以實(shí)現(xiàn)對(duì)用一般光學(xué)方法難以觀察到的地方進(jìn)行窺視。醫(yī)用光纖內(nèi)窺鏡主要由光源及傳光部分，成像部分、傳像部分和觀察記錄部分組成。

許多工作場(chǎng)合需要對(duì)多處目標(biāo)進(jìn)行切換觀察，可采用光纖圖像換向系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它由目標(biāo)圖像采集系統(tǒng)、圖像切換系統(tǒng)，以及觀察和記錄系統(tǒng)等組成。

完成傳像功能的光纖制品主要是光纖傳像束和硬性光纖器件(光纖面板、扭像器和光纖錐等)。(二)光纖制品在傳像方面的應(yīng)用1.各種內(nèi)窺鏡

2.光纖圖像換向器光纖傳像束

物鏡L

圖像切換系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)棱鏡P及有關(guān)機(jī)構(gòu)組成。棱鏡P按要求轉(zhuǎn)動(dòng)，使待觀察的目標(biāo)像引入棱鏡后或轉(zhuǎn)到觀察系統(tǒng)B供人眼觀看。或轉(zhuǎn)到記錄器A記錄圖像。只需轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡P就可對(duì)N個(gè)目標(biāo)進(jìn)行依次觀察或選擇觀察。第十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

生產(chǎn)OFP的材料主要是稀有金屬、金屬和非金屬的氧化物。芯要選用高折射系數(shù)的原料,如氧化鋇、氧化鋯等;包皮要選用低折射系數(shù)的原料,如:二氧化硅、氧化鉀、氧化鈉、三氧化二鋁等;光吸收層是在包皮玻璃的基礎(chǔ)上再加入著色劑如:氧化鈷、氧化鐵、二氧化錳、氧化鎳等?！窆馕詹Ａ且环N不透明的黑色玻璃,其作用是將穿透包皮玻璃的雜散光吸收掉,以提高圖像的對(duì)比度及分辨率。

OFP：用多根單光纖經(jīng)熱壓工藝而制成真空氣密性良好的光纖棒，然后進(jìn)行切片、拋光而成的一種可傳遞光學(xué)圖像的光纖器件；是一種板狀傳像元件，其形狀各式各樣:據(jù)端面的形狀分：雙平面型和平-凹球面型；平-凹球面型的OFP用于制作準(zhǔn)球?qū)ΨQ(chēng)電子光學(xué)系統(tǒng)的像管據(jù)傳像性能分為普通OFP、變放大率的錐形OFP和傳遞倒像的扭像器OFP主要由三種玻璃組成:芯玻璃、包皮玻璃、光吸收玻璃

如前所述,光纖面板屬于工藝性較強(qiáng)的技術(shù)產(chǎn)品。工藝過(guò)程中有許多技術(shù)秘密,每種玻璃的配方是生產(chǎn)光纖面板的技術(shù)關(guān)鍵,國(guó)外有不少這方面的專(zhuān)利。國(guó)內(nèi)各廠家對(duì)配料均為保密技術(shù),生產(chǎn)工藝也不盡完全相同。

用光纖面板作為單管的輸入和輸出窗,使級(jí)間直接耦合,會(huì)極大地提高光能的利用率,光纖面板還可校正電子光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的場(chǎng)曲,例如光纖面板平像場(chǎng)器

在真空光電器件和真空攝像器件中，光纖面板主要是用來(lái)充當(dāng)輸入窗口、輸出窗口或管內(nèi)傳像器件。

光纖面板的基本生產(chǎn)過(guò)程和工藝流程為:玻璃的配料及熔制、拉絲、排板、熱壓、冷加工、檢驗(yàn)。其中化料、拉絲和熱壓是關(guān)鍵工序。

光學(xué)面板具有傳光效率高，級(jí)間耦合損失小，傳像清晰、真實(shí)，在光學(xué)上具有零厚度等特點(diǎn)。

為了正確傳遞圖像，光纖間必須相關(guān)排列，由棒中切出的每塊面板的輸入與輸出端面空間陣列相對(duì)應(yīng)。3光纖面板

OFP(Optic

FiberPlates

)場(chǎng)曲：指整個(gè)像平面是一個(gè)曲面

●芯玻璃是一種高折射率玻璃,是光的通路;●包皮玻璃為低折射率玻璃,起界面全反射作用;

一代像增強(qiáng)器：輸入和輸出窗均由OFP構(gòu)成；這是利用了OFP之間通過(guò)光學(xué)接觸即可傳像的性能，可直接耦合OFP使得像增強(qiáng)器獲得的優(yōu)點(diǎn)是：●增加了傳遞圖像的傳光效率；●提供了采用準(zhǔn)球?qū)ΨQ(chēng)電子光學(xué)系統(tǒng)的可能性，改善了像質(zhì)；●可制成錐形OFP或光纖扭像器。第十五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

錐形光纖所組成的OFP稱(chēng)為錐形OFP,具有放大和縮小圖像的作用；錐形OFP傳遞圖像的原理和普通OFP相同，只是圖像傳遞的放大率不為1

若OFP能成倒像這種OFP稱(chēng)之為光纖倒像器；光纖扭像器是將圖像旋轉(zhuǎn)180o后輸出，使倒像轉(zhuǎn)為正像。

光纖倒像器目前主要用來(lái)代替微光夜視儀中的中繼透鏡系統(tǒng)，也被廣泛應(yīng)用于需要倒像的裝置中通過(guò)倒像器光錐廣泛應(yīng)用于像增強(qiáng)器耦合以及電視成像和先進(jìn)的光電成像應(yīng)用方面錐形光纖？第十六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第三環(huán)帶光：是光纖外皮向內(nèi)芯串光產(chǎn)生的光環(huán)OFP在光纖內(nèi)只傳遞入射角小于孔徑角的光線，大于孔徑角的光線的一部分將要由光纖芯折射到外皮中形成雜散光，從而破壞圖像的傳遞特性表征光學(xué)元件集光性能的參數(shù)是數(shù)值孔徑當(dāng)入射面與子午面夾角為θ時(shí)，數(shù)值孔徑為OFP的有效傳光效率總是小于1降低有效傳光效率的因素有●入射到光纖外皮的光全部是無(wú)效的，一般OFP的外皮截面積占總截面積的比列約為30%；●光線在OFP的的端面上及界面處的反射損失；●光線在光纖之間的串光損失。串光損失原因：三環(huán)效應(yīng)（出射角最小的第一環(huán)帶光；出射角相等的第二環(huán)帶光；出射角最大的第三環(huán)帶光）第一環(huán)帶光：是光纖內(nèi)芯向外皮串光產(chǎn)生的光環(huán)第二環(huán)帶光：是光纖內(nèi)芯經(jīng)全反射產(chǎn)生的光環(huán)；也有入射到光纖外皮又由外皮出射的光第十七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日也叫探針型光纖傳感器。典型的例子有光纖激光多普勒速度傳感器、光纖輻射溫度傳感器和光纖液位傳感器等

光纖傳感器：可作為加速度、角加速度、速度、角速度、位移、角位移、壓力、彎曲、應(yīng)變、轉(zhuǎn)矩、溫度、電壓、電流、液位、流量，流速、濃度、pH值、磁場(chǎng)、聲強(qiáng)、光強(qiáng)、射線等70多個(gè)物理量的傳感器。但實(shí)用的還很少，是一個(gè)發(fā)展?jié)摿O大的領(lǐng)域。三光纖傳感器的分類(lèi)及構(gòu)成（一）光纖傳感器分類(lèi)光纖在傳感器中所起的作用功能型（傳感型）非功能型（傳光型）

傳感型(功能型)光纖本身既是傳輸介質(zhì)又是敏感元件

這種非功能型光纖傳感器,不需要外加敏感元件,光纖把測(cè)量對(duì)象所輻射、反射的光信號(hào)傳輸?shù)焦怆娫?/p>

非功能型光纖只是信息傳輸介質(zhì)，而敏感元件（或沒(méi)有敏感元件）要采用其它元件特點(diǎn):非接觸式測(cè)量，精度較高第十八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

非功能型光纖傳感器的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，技術(shù)上易實(shí)現(xiàn)。但其靈敏度、測(cè)量精度一般低于功能型光纖傳感器。

功能型傳感器的特點(diǎn):具有很高的靈敏度。尤其是利用各種干涉技術(shù)對(duì)光的相位變化進(jìn)行測(cè)量的光纖傳感器，具有極高的靈敏度。

功能型傳感器的缺點(diǎn)是：技術(shù)難度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整較困難。

功能型光纖傳感器

利用光纖本身的特性受被測(cè)物理量的作用而發(fā)生變化,使光纖中光的屬性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng))被調(diào)制這一特點(diǎn)而構(gòu)成的一類(lèi)傳感器。光強(qiáng)調(diào)制型相位調(diào)制型偏振態(tài)調(diào)制型波長(zhǎng)調(diào)制

功能/非功能型典型例子光纖電壓傳感器光纖電流傳感器光纖位移(壓力)傳感器泡克耳效應(yīng)法拉第效應(yīng)微彎效應(yīng)第十九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日（二）光纖傳感器的基本構(gòu)成光纖傳感器的基本組成光纖、光源和光電探測(cè)器1.光源白熾燈、激光二極管（LD）和發(fā)光二極管(LED)等0.8～0.9

選擇光源時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的用途和所用光纖的類(lèi)型，對(duì)光源還要提出功率和調(diào)制的要求0.3～1.12.光電元件

普通光電二極管雪崩光電二極管肖特基光電二極管光電晶體管電荷耦合器件光電導(dǎo)體光電倍增管光纖傳感器常用光電探測(cè)器比較常用激光二極管具有亮度高易于進(jìn)行上吉赫的直接調(diào)制、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)第二十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日2）光纖傳感器的幾何形狀適應(yīng)性強(qiáng)。由于光纖所具有的柔性，使用及放置均較為方便。8）光纖傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)在于它們探測(cè)信息的靈敏度很高。3）光纖傳感器的傳輸頻帶寬，帶寬與距離之積可達(dá)30MHZ·km-10GHZ·km之多。5）光纖傳感器通常既是信息探測(cè)器件，又是信息傳遞器件。4）光纖傳感器無(wú)可動(dòng)部分、無(wú)電源，可視為無(wú)源系統(tǒng)，因此使用安全，特別是在易燃易爆的場(chǎng)合更為適用。6）光纖傳感器的材料決定了它有強(qiáng)的耐水性和強(qiáng)的抗腐蝕性。7）由于光纖傳感器體積小，因此對(duì)測(cè)量場(chǎng)的分布特性影響較小。1）光纖傳感器的電絕緣性能好,表面耐壓可達(dá)4kV/cm，且不受周?chē)姶艌?chǎng)的干擾。（三）光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)與電量傳感器相比較，光纖傳感器有許多優(yōu)點(diǎn)：這些優(yōu)點(diǎn)要理解,要記住,要會(huì)用第二十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

光的頻率約為1014Hz,光電探測(cè)器不能跟蹤以這樣高的頻率變化的瞬時(shí)值,因此,光波的相位變化是不能夠直接被檢測(cè)到的。為此,應(yīng)用干涉技術(shù)將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換成振幅(強(qiáng)度)調(diào)制。

光纖傳感器常采用馬赫—澤德(Mach-Zehnder)干涉儀等干涉測(cè)量?jī)x。光纖軸向應(yīng)變

長(zhǎng)為L(zhǎng),纖芯折射率為n1的單模光纖中,波長(zhǎng)為的輸出光相對(duì)輸入端來(lái)說(shuō),相角為

波長(zhǎng)為λ的相干光在光纖中傳播時(shí)，光波的相位角φ與光纖的長(zhǎng)度L、纖芯折射率n1和纖芯直徑d有關(guān)。光纖受到物理量的作用時(shí)，這三個(gè)參數(shù)就會(huì)發(fā)生不同程度的變化，從而引起光的相位角的變化。（四）功能型光纖傳感器（一）相位調(diào)制型光纖傳感器1.相位調(diào)制原理

應(yīng)用光的相位檢測(cè)技術(shù)可以測(cè)量溫度、壓力、加速度、電流等物理量。當(dāng)光纖受到物理量的作用時(shí),相位角變化量第二十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日從而使合成光強(qiáng)的強(qiáng)弱隨著相位的變化而變化。

激光器發(fā)出光被分束器分成兩束，分別耦合到傳感光纖和參考光纖中。

傳感光纖置于被測(cè)對(duì)象的環(huán)境中感受壓力(或溫度)信號(hào);參考光纖不感受被測(cè)物理量。這兩根單模光纖構(gòu)成干涉儀的兩個(gè)臂,再通過(guò)光纖耦合器組合起來(lái),以便產(chǎn)生相互干涉,形成一系列干涉條紋。

當(dāng)傳感光纖感受到溫度變化時(shí),光纖的折射率會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)光纖的熱脹冷縮使其長(zhǎng)度發(fā)生改變。通過(guò)光電探測(cè)器，就可以將合成光強(qiáng)的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的大小變化?

利用馬赫-澤德干涉儀測(cè)量壓力或溫度的相位調(diào)制型光纖傳感器組成原理圖2.相位調(diào)制型光纖壓力和溫度傳感器長(zhǎng)度和折射率的變化,將會(huì)引起相位角變化。這樣,傳感光纖和參考光纖的兩束輸出光的相位也發(fā)生了變化?把光電探測(cè)器的光敏面放在干涉場(chǎng)中,干涉場(chǎng)光強(qiáng)將轉(zhuǎn)換為光電流輸出,光電流的交流量為?

由圖可見(jiàn),26℃時(shí)兩光纖中的光同相,輸出光電流最大。隨著T的上升,相位增加光電流逐漸咸小。T為26.03℃相移弧度,光電流達(dá)到最小值。T上升到26.06℃相移增加到2弧度,光電流又上升到最大值。這樣,光的相位調(diào)制便轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)的幅值調(diào)制。

第二十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

當(dāng)活動(dòng)板受到微擾作用時(shí)，光纖就會(huì)發(fā)生微小彎曲，使光在纖芯中重新分配：一部分光從纖芯進(jìn)入包層；另一部分光反射回纖芯。

當(dāng)活動(dòng)板的位移或壓力增加時(shí)：泄漏到包層的散射光隨之增大,光纖芯模的輸出光強(qiáng)度就減小，通過(guò)檢測(cè)光纖輸出光的強(qiáng)度就能測(cè)出位移(或壓力)信號(hào)。

基本原理：光纖微彎產(chǎn)生的彎曲損耗。這類(lèi)傳感器常用多模光纖制作。

光纖微彎傳感器的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：傳輸光束基本上束縛在光纖內(nèi)部，適合在比較惡劣的環(huán)境中使用。(二)光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器

傳感器還具有：分辨率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)范圍寬、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)?？梢詸z測(cè)到100μPa的壓力變化光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器的典型例子：光纖微彎位移和壓力傳感器。

光纖微彎傳感器由兩塊波形板（變形器）構(gòu)成：一塊固定，另一塊可以活動(dòng)。光纖從一對(duì)波形板之間通過(guò)。第二十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

受磁場(chǎng)作用后的光束經(jīng)物鏡耦合到偏振棱鏡，分解成振動(dòng)方向相互垂直的兩束偏振光，分別進(jìn)入兩個(gè)光探測(cè)器，再經(jīng)信號(hào)處理后輸出信號(hào)：

當(dāng)通過(guò)的電流為I時(shí)，由此產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度H為:

根據(jù)法拉第旋光效應(yīng)：由電流所形成的磁場(chǎng)會(huì)引起光纖中線偏振光的偏轉(zhuǎn)。檢測(cè)偏轉(zhuǎn)角的大小，就可得到相應(yīng)的電流值只要系統(tǒng)的V和N一經(jīng)確定，就可通過(guò)輸出信號(hào)P的大小，獲得被測(cè)輸電線上的電流值。

傳感器適用于高壓輸電線大電流的測(cè)量，測(cè)量范圍為0～1000A

由法拉第旋光效應(yīng)引起的光纖中線偏振光的偏轉(zhuǎn)角為(三)偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器偏振態(tài)調(diào)制型光纖電流傳感器原理圖:這公式怎么來(lái)的?Ei渥拉斯頓棱鏡前偏振光的方向?yàn)镋0E0光纖是單模光纖從圖可以看出該傳感器主要由哪些器件組成?eoEi45oθE0I渥拉斯頓棱鏡放置：e光或者o光的振動(dòng)方向與起偏器軸的方向成45o。下面求偏振度P？想一想:渥拉斯頓棱鏡原理?I1I2第二十五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

由右上圖可以看出，半導(dǎo)體對(duì)光的吸收隨長(zhǎng)波限的變短而急劇增加(在T一定時(shí))，即透過(guò)率急劇下降，那么在光源一定的情況下，通過(guò)半導(dǎo)體的透射光強(qiáng)隨溫度T的增加而減小。五非功能型光纖傳感器（一）傳輸光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器

傳感器光源的光譜應(yīng)與半導(dǎo)體的吸收光譜互相匹配。該系統(tǒng)的溫度測(cè)量范圍為-20～300℃。精確度約為3℃。響應(yīng)時(shí)間常數(shù)約2s，能在強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境中工作。

傳感器的關(guān)鍵部件是半導(dǎo)體光吸收片，它的本征吸收長(zhǎng)波限隨溫度增加而向長(zhǎng)波長(zhǎng)的方向位移。

傳輸光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器：是在輸入光纖與輸出光纖之間放置有機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件。敏感元件在物理量的作用下對(duì)傳輸?shù)墓鈴?qiáng)進(jìn)行調(diào)制，如吸收光的能量、遮斷光路、改變光纖之間的相對(duì)位置等。第二十六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

系統(tǒng)由光源、壓力膜片、光敏二極管、Y形光纖束和放大器等組成。壓力膜片感受平均壓力和脈動(dòng)壓力以及反射光；膜片的內(nèi)表面拋光后鍍一層反射膜，以提高反射率。

Y形光纖束約由3000根直徑為50微米的階躍型光纖(NA=0.603)集束而成。它被分成纖維數(shù)目大致相等、長(zhǎng)度相同的兩束：發(fā)送光纖束和接收光纖束。為了補(bǔ)償光源光功率的波動(dòng)以及減少光敏二極管的噪聲，系統(tǒng)增加了一根補(bǔ)償光纖束。(二)反射光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器

系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：頻響范圍寬;脈動(dòng)壓力的頻率在0～18kHz的范圍內(nèi)變化;靈敏度高,輸出幅度大,放大后的輸出信號(hào)可達(dá)幾伏;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn)。

由膜片的撓度理論知，周邊固定的圓形平膜片，其中心位移與壓力成正比。當(dāng)壓力變化時(shí)，膜片與光纖端面之間的距離將線性變化。因此，光纖接收的反射光強(qiáng)度也將線性變化。

是光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器，是一個(gè)反射光強(qiáng)調(diào)制型的光纖傳感器。第二十七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

如右圖所示，發(fā)射機(jī)發(fā)射出的電磁波向被測(cè)物體傳輸，以速度V向發(fā)射機(jī)運(yùn)動(dòng)的被測(cè)物體接收到的信號(hào)頻率為

當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處于同一地點(diǎn)且無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而被測(cè)物體以速度V相對(duì)于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以把被測(cè)物體對(duì)信號(hào)的反射看成是又一個(gè)運(yùn)動(dòng)的發(fā)射機(jī)在發(fā)射信號(hào)。這樣，接收機(jī)和被測(cè)物體之間因有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就產(chǎn)生了多普勒效應(yīng)。

假若發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的位置在不斷變化，則接收機(jī)收到的信號(hào)與發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)頻率就不同，這一現(xiàn)象為多普勒效應(yīng)。（三）頻率調(diào)制型光纖傳感器頻率調(diào)制型光纖傳感器，原理是光學(xué)多普勒效應(yīng)?由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻率之差稱(chēng)為多普勒頻率

若把看成新的發(fā)射機(jī)向與發(fā)射機(jī)同地點(diǎn)的接收機(jī)發(fā)射的信號(hào)，如右圖所示，則接收機(jī)接收到的信號(hào)頻率為：第二十八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日

當(dāng)激光沿著光纖投射到運(yùn)動(dòng)物體A上時(shí)，被物體A反射的光與光纖端面的反射光(起參考光作用)一起沿著光纖返回。光學(xué)多普勒效應(yīng)

那么從S射出的頻率為的光，經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)物體P散射，觀察者在Q處觀察到的頻率為。根據(jù)多普勒原理可得

這樣，頻率不同的信號(hào)光與參考光共同作用在光電探測(cè)器上，產(chǎn)生差拍。知道了發(fā)射頻率和接收頻率，從它們之差就可以求得物體的運(yùn)動(dòng)速度。

下圖是一個(gè)典型的激光多普勒光纖測(cè)速系統(tǒng)

發(fā)射透鏡分光器He-Ne激光器B接收透鏡檢偏器光纖光電探測(cè)器頻譜分析儀vA

形成的光電流經(jīng)頻譜分析儀求出頻率的變化，進(jìn)一步可算出物體的運(yùn)動(dòng)速度。線偏振光SQvθ2θ1PB45°DCA

S為光源,P為運(yùn)動(dòng)物體,Q是觀察者所處的位置。如果物體P的運(yùn)動(dòng)速度為V,P的運(yùn)動(dòng)方向與