光纖傳感復(fù)習(xí)題

簡(jiǎn)答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。輕易接受被測(cè)量場(chǎng)的加載，是一種優(yōu)良的敏感元件。光纖自身不帶電，體積小質(zhì)量輕，易彎曲，抗電磁干擾，抗輻射性能好。什么是光纖的損耗，損耗的機(jī)理是什么？光波在光纖中傳播，伴隨傳播距離的增長(zhǎng)，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：損耗重要包括吸取損耗和散射損耗兩部分。吸取損耗是由SiO2材料引起的固有吸取和由雜質(zhì)引起的吸取產(chǎn)生的。散射損耗重要由材料微觀密度不均勻引起的瑞利散射和由光纖構(gòu)造缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。瑞利(Rayleigh)散射損耗是光纖的固有損耗，它決定著光纖損耗的最低理論極限。什么是光纖的色散，色散的分類有哪些？色散(Dispersion)是在光纖中傳播的光信號(hào)，由于不一樣成分的光的時(shí)間延遲不一樣而產(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、偏振膜色散光纖技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域均有哪些？信息獲?。盒畔鞑ィ盒畔⑻幚恚浩渌麘?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、潛望鏡按照光受被測(cè)量調(diào)制形式的不一樣，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(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)）光源有哪些重要類型，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)拾光型光纖傳感器常見(jiàn)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。周期不不小于1μm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)是傳播方向相反的兩個(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)是同向傳播的纖芯基模和包層模之間的耦合，無(wú)后向反射，屬于透射型帶阻濾波器。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？光束切割型光強(qiáng)調(diào)制2）光閘型光強(qiáng)調(diào)制松耦合式光強(qiáng)調(diào)制4）物理效應(yīng)型光強(qiáng)調(diào)制按照尋址方式的不一樣，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（多種不一樣類型的復(fù)用系統(tǒng)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)）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)光纖中傳播的光波頻率進(jìn)行調(diào)制，頻率偏移即反應(yīng)被測(cè)量。目前使用較多的調(diào)制措施是多普勒法，即外界信號(hào)通過(guò)多普勒效應(yīng)對(duì)接受光纖中的光波頻率實(shí)行調(diào)制，是一種非功能型調(diào)制。光的躍遷可分為哪幾類，激光器怎樣實(shí)現(xiàn)激光輻射？光的躍遷類型：受激吸取自發(fā)輻射受激輻射半導(dǎo)體激光器是向半導(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，再運(yùn)用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。常見(jiàn)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中加了一種I區(qū)，大大地提高了響應(yīng)速度，I層很厚，吸取系數(shù)很小，入射光很輕易進(jìn)入材料內(nèi)部被充足吸取而產(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的電流值形成了一種雪崩區(qū)，于是形成了g的倍增因子，不過(guò)缺陷是噪聲也同步增長(zhǎng)了。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的構(gòu)造和LD相似，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，不一樣的是LED不需要光學(xué)諧振腔，沒(méi)有閾值。分析計(jì)算某光纖為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受角（2）光纖放置在空氣中，求數(shù)值孔徑。2.常見(jiàn)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Δ（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1.55um，此光纖工作在單模還是多模狀態(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SMFa=2.5umλ=1.55um單模傳播條件為：將a、λ代入公式求得V≈3.89由于3.89>2.405，因此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)。接受采用GaAsPIN光電二極管，平均每?jī)蓚€(gè)入射光子產(chǎn)生一種電子-空穴對(duì)，假設(shè)所有的電子都被搜集。（1）計(jì)算該器件的量子效率（2）設(shè)在0.8μm波段的接受功率是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）2）e為常數(shù)，得出光電流=3.23*10e-8響應(yīng)度：長(zhǎng)波長(zhǎng)截止點(diǎn)跟材料有關(guān)系某光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器的光源采用LED，發(fā)射功率為Pin=5mw，接受光功率為Pr=0.1mw，已知此傳感器的敏感元件原則狀況下的光損為α=3dB，則使用損耗系數(shù)為0.2dB/km的光纖傳光的話，最遠(yuǎn)傳播距離為多少？答案：發(fā)光功率：接受功率光損+光路損耗若要最遠(yuǎn)傳播：傳播距離：由于光路為來(lái)回線路，因此L應(yīng)為最大值的二分之一35km5.如下為加速度傳感器的工作原理圖請(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)生一種與運(yùn)動(dòng)方向相反的慣性力，f=ma。（x發(fā)生對(duì)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。）振動(dòng)緩慢時(shí)，即可測(cè)出加速度抵達(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，要做一種加速度傳感器，應(yīng)嚴(yán)格控制固有頻率值，使振動(dòng)頻率不不小于固有頻率，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(guò)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)生一種與運(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)生對(duì)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。如圖所示，它是把由重物、彈簧、阻尼、減震器構(gòu)成的振子固定在框架上構(gòu)成的。外框中間由彈簧連著一種重物，彈簧帶動(dòng)m上下振動(dòng)，根據(jù)，得知，運(yùn)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.如下為光纖多普勒測(cè)速裝置的工作原理圖請(qǐng)描述其工作原理多普勒頻移原理：物體輻射的波長(zhǎng)由于波源和觀測(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（blueshift）；當(dāng)運(yùn)動(dòng)在波源背面時(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（redshift）；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)的速度。2）分析其工作過(guò)程激光器發(fā)射激光穿過(guò)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(guò)偏振光器回到激光器里。入射光通過(guò)光纖抵達(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與否一致，運(yùn)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，一部分光通過(guò)偏振校正器，透過(guò)接受透鏡發(fā)射到光探測(cè)器，光探測(cè)器把接受的光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，送到信號(hào)處理裝置，進(jìn)而輸出。7.如下為Michelson干涉式光纖聲發(fā)射傳感器的工作原理圖請(qǐng)分析其工作過(guò)程（描述外界聲信號(hào)是怎樣影響光纖相位變化）激光器發(fā)出的光注入到耦合器，被3dB耦合器提成兩束光，一束光在參照臂光纖中傳播，另一束光在傳感臂光纖中傳播，外界信號(hào)S(t)作用在傳感臂光纖上，外界原因引起傳感臂與參照臂之間的相位差，光抵達(dá)光纖的反射端面發(fā)生全反射，回程光在參照臂和傳感臂中傳播，通過(guò)3DB耦合器分光回到光電探測(cè)器中，通過(guò)光電探測(cè)器探測(cè)接受到的干涉信號(hào)條紋的變化，反應(yīng)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=1.43eVInGaAs:Eg=0.96eV）（1）（2）8.如下為單光纖液位傳感器構(gòu)造的工作原理圖請(qǐng)描述其工作原理光強(qiáng)調(diào)制是光纖傳感技術(shù)中相對(duì)比較簡(jiǎn)樸，用的最為廣泛的一種調(diào)制措施。基本原理是運(yùn)用外界信號(hào)擾動(dòng)變化光強(qiáng)(調(diào)制），在通過(guò)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（接受光纖）出射端（入射端）；產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的線位移或角位移，導(dǎo)致進(jìn)入接受光纖的光束被切割，從而對(duì)光纖傳播的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。2）分析其工作過(guò)程將光纖的端部拋光成45o的圓錐面。當(dāng)光纖處在空氣中時(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，運(yùn)用X形耦合器，由于不一樣介質(zhì)的折射率不一樣，導(dǎo)致液面上的反射光能強(qiáng)，液面下的反射弱。假如發(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)成果不一樣，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，若在不一樣的高度安裝多種探頭，則能持續(xù)監(jiān)視液位的變化。綜合1、下圖為光纖電流傳感器的原理圖，請(qǐng)分析闡明（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)所？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(guò)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(guò)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(guò)的平面偏振光的偏振方向發(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)。即處在磁場(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Ω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/（2πR），因此只要測(cè)量Ω，L，R的值，就可以由求出長(zhǎng)直導(dǎo)線中的電流I。工作過(guò)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(guò)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(guò)光纖的偏振光產(chǎn)生一角度為Ω的偏振面的旋轉(zhuǎn)。出射光經(jīng)偏振棱鏡8把光束提成振動(dòng)方向垂直的兩束偏振光。再通過(guò)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。最終計(jì)算輸出的將是函數(shù)屬于功能型偏振態(tài)調(diào)制型應(yīng)用：最經(jīng)典的例子就是電力系統(tǒng)中高壓傳播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)分析闡明（1）此傳感器的工作原理、過(guò)程及應(yīng)用（2）怎樣深入提高敏捷度（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(guò)選頻、濾波等方式變化光纖中傳播光的波長(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(wú)后向反射，在傳感測(cè)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)模與同向傳播的包層模之間，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)外界折射率靠近包層折射率時(shí)愈加敏感。過(guò)程：輸入光纖的光模式包括芯模和包層模，當(dāng)?shù)诌_(dá)LPG光柵處，發(fā)生芯模繼續(xù)沿著光纖纖芯進(jìn)行傳播，而包層模發(fā)生漸逝場(chǎng)的延伸與周圍介質(zhì)直接接觸，于是在終端接受處反應(yīng)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。根據(jù)工作原理，（人們提出了應(yīng)用不一樣光纖光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)折射率的傳感，并提出了許多種措施或手段來(lái)提高測(cè)量敏捷度，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）功能型波長(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)分析闡明（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)所？答案：（1）運(yùn)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（接受光纖）出射端（入射端）；產(chǎn)生對(duì)