光電檢測技術(shù)與光纖基礎(chǔ)課件：第九章 光導(dǎo)纖維與光纖傳感器

1、光纖是上世紀(jì)人類的重要發(fā)明之一光纖之父高錕起很大作用，曾獲諾貝爾獎(jiǎng)長距離大容量通信（容量大、衰減少、成本低等）各種光纖傳感器優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、反應(yīng)速度快、抗電磁干擾強(qiáng)、體積小，耐腐蝕、成本低等缺點(diǎn)：系統(tǒng)復(fù)雜第九章 光導(dǎo)纖維與光纖傳感器2第九章 光導(dǎo)纖維與光纖傳感器9.1 光導(dǎo)纖維基礎(chǔ)知識9.1.1 光纖的結(jié)構(gòu)纖芯包層外套纖芯：多為石英玻璃或塑料,直徑為5150m. 折射率n1包層：直徑為100200m,也為玻璃或塑料但折射率低于纖芯. 折射率n2外套：用于提高光纖的機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)光纖,其折射率大于纖芯的折射率n1n2345多模光纖-在給定的工作波長上，光纖中可以傳播多個(gè)特征角的光波能夠在光纖中傳

2、播的光波的特征角不是連續(xù)的，而是一系列分立的值特征角從“射線光學(xué)”的角度定性的理解多模光纖和單模光纖：單模光纖-在給定的工作波長上，光纖中只能傳輸一種特征角的光波單模光纖纖芯與包層的折射率差很小，且纖芯很小，所以其中傳播的光近似的平行于纖芯多模光纖的芯徑較大9.1.3 光纖的傳輸模式相同特征角，不同波長相同的波長，不同特征角不同特征角或不同波長不同模式：不同的波長，不同特征角67能在光纖中發(fā)生全反射的入射光的入射角不能大于C：數(shù)值孔徑越大，光纖集光能力越強(qiáng)數(shù)值孔徑NA最大張角例：石英光纖的NA=0.20.4 張角為：11.523.68當(dāng)光纖有彎曲，但彎曲程度不大時(shí)，仍然認(rèn)為，光在整個(gè)傳播過程中

3、，入射角1不變.12但當(dāng)有相對較急劇的穹曲時(shí)，則會產(chǎn)生漏光1199.1.5 光纖的傳輸特性1.傳輸損耗吸收損耗：光能轉(zhuǎn)化為熱能（石英在0.16及812微米有吸收）散射損耗：由光纖材料的不均勻性或材料的缺陷引起彎曲損耗1210（1） 材料色散（折射率色散）材料的折射率隨入射光波長的改變而稍有不同，所以當(dāng)入射的光信號由多種波長的光組成時(shí)，不同波長的光不同時(shí)到達(dá)光纖的另一端，而產(chǎn)生色散（3） 多模色散（模式色散）種種模式的傳輸路徑不同，所以同時(shí)射入光纖而傳播模式不同的光，并不同時(shí)到達(dá)光纖的輸出端，從而引起色散光脈沖在傳輸過程中的展寬現(xiàn)像2.色散（2） 波導(dǎo)色散（結(jié)構(gòu)色散）光纖的結(jié)構(gòu)引起的不同波長的光

4、沿軸線的傳播速度的不同而引起的色散 113.容量由于光脈沖在傳輸過程中的色散展寬，而影響到光纖的信息容量和品質(zhì)。4. 抗拉程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5. 集光本領(lǐng)由光纖的數(shù)值孔徑?jīng)Q定表示光錐半角大小，反映集光能力。由光纖的折射率決定，與空氣折射率有關(guān)。與其直徑無關(guān)。129.1.6 光纖的耦合3種結(jié)構(gòu)形式（1）（2）（3）（b）熔融拉錐型強(qiáng)耦合與弱耦合139.2 光導(dǎo)纖維應(yīng)用9.2.1光纖在直接導(dǎo)光方面的應(yīng)用測量光強(qiáng)度（濃度）、光譜（熒光），偏振等1. 光纖照明142. 光纖束掃描器3. 光纖直接導(dǎo)光的其它應(yīng)用利用光纖束做光的合成（OCT等）利用光纖傳輸光的激光手術(shù)刀（

5、美容、腫瘤）激光加工、加熱、海底供能等159.2.2光纖制品在傳像方面的應(yīng)用1. 各種內(nèi)窺鏡膠囊式內(nèi)窺鏡162. 光纖圖像換向器3. 光學(xué)纖維面板17光學(xué)面板的特點(diǎn):傳光效 率高、級間耦合損失小、傳象清晰、真實(shí)、在光學(xué)上具有零厚度等 在真空攝像器件中，主要用于充當(dāng)輸入窗口、輸出窗口、管內(nèi)傳像器件(ICCD)。在第一代像增強(qiáng)器中，它是做為級間耦合元件制作工藝：光纖棒壓制后再切片拋光而成。三種玻璃組成：芯玻璃（氧化鋇等）、包皮玻璃（石英等）及吸收玻璃（氧化鐵等）18平像場器-在攝影，特別是廣角攝影中，利用光纖面板做成校正原件，用來消除場曲和畸變光纖扭像器光纖光錐傳感器概述傳感器及應(yīng)用傳感器是用來直

6、接或間接與被測對象發(fā)生聯(lián)系，把被測參數(shù)（機(jī)械、物理、化學(xué)、壓力及溫度等非電量）轉(zhuǎn)化成電信號為系統(tǒng)處理與決策提供原始信息。阿波羅10登月系統(tǒng)有2077（火箭部分）及1218（宇宙飛船）傳感器；現(xiàn)代機(jī)器人的感覺系統(tǒng)也有傳感器（視覺、聽見、嗅覺及觸覺等）；Apple Watch背部有很多感應(yīng)器，當(dāng)用戶抬手時(shí)，顯示屏?xí)詣哟蜷_；實(shí)現(xiàn)體形狀況以及心跳次數(shù)等實(shí)時(shí)監(jiān)測。以后可能有血壓、體溫等功能。傳感器分類按測量對象分：溫度、質(zhì)量、濕度、速度、位移等按能量傳遞方式分：無源與有源按轉(zhuǎn)換原理分：電磁式、光學(xué)式、核輻射式、超聲式、微波 式等229.3 光纖傳感器的分類及構(gòu)成9.3.1光纖傳感器的分類特點(diǎn)：1、既是

7、傳輸介質(zhì)也是傳感元件；2、一般以長度成正比；3、靈敏度高；4、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度高；5、單模光纖。例子：溫度傳感器、法拉第電流傳感器、位移傳感器等光纖同時(shí)起到信號的感知和信號的傳輸功能。利用光纖在物理作用下產(chǎn)生變化，從而引起在其間傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、偏振態(tài)、波長等的變化來反應(yīng)出傳達(dá)光纖所受的物理作用的種類、強(qiáng)度等可測速度、壓力、位移、溫度、濃度及場強(qiáng)等70多物理量1.功能型光纖傳感器2.非功能型光纖傳感器光纖僅僅是傳輸元件，因此通常需要另外加敏感元件才能構(gòu)成傳感器。特點(diǎn)：1、多模光纖；2、主要探測光強(qiáng)變化信號；3、結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)難度低；4、靈敏度低；例子：多普勒速度傳感器、輻射溫度傳感器、液

8、位傳感器等24但也有例外微區(qū)溫度或輻射測量。光纖譜儀9.3.2光纖傳感器的基本構(gòu)成1. 光源2. 光電元件除光纖外還有-常用光源有：激光二極管（發(fā)射波段0.80.9m) 發(fā)光二極管（發(fā)射波段0.31.1m)石英光纖的損耗比較小也可用白熾燈等光電二極管、雪崩光電二極管、肖特基光電二極管、光電晶體管及各種紅外探測器等259.3.2光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)與其它電量傳感器個(gè)比較，光纖傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)P2049.4 功能型光纖傳感器9.4.1 相位調(diào)制型光纖傳感器1. 相位調(diào)制的原理可用于檢測溫度、壓力、加速度、電流等光的相位調(diào)制通過干涉轉(zhuǎn)化為振幅調(diào)制262. 相位調(diào)制型光纖壓力和溫度傳感器檢測溫度靈敏度約

9、0.001C27正常范圍內(nèi)的穹曲，各個(gè)位置的光基本上都能滿足全反射條件。9.4.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器可以測量壓力、應(yīng)變、振動等FF變形器光纖固定板活動板優(yōu)點(diǎn)：具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)范圍寬性能穩(wěn)定等當(dāng)有相對較急劇的穹曲時(shí)，則會產(chǎn)生漏光9.4.3 *偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器法拉第效應(yīng)當(dāng)線偏振光通過磁場時(shí)，其偏振方向會發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。偏轉(zhuǎn)角度與磁場強(qiáng)度成正比 V為菲德爾（Verdet）常數(shù) ，H為磁場強(qiáng)度，L為長度?？梢杂脕頊y量磁場強(qiáng)度，或電流強(qiáng)度等。299.4.3 *偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器光纖電流傳感器-高折射率浸油I1I2激光器光探測器渥拉斯頓棱鏡透鏡透鏡起偏器高壓輸電線信號處理I電PM

10、N電電適合于高壓電線大電流的測量，非接觸、不間斷、絕緣、范圍大I1N45I2MI030高折射率浸油空氣包層高折射率浸油可以消除包層中傳輸?shù)墓?，減小對纖芯中傳輸光的影響319.5 非功能型光纖傳感器9.5.1 傳輸光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器測溫系統(tǒng)原理 溫度測量范圍為-20300精度為3響應(yīng)時(shí)間為2S能在強(qiáng)電場環(huán)境下工作329.5.2 反射光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器339.5.3* 頻率調(diào)制型光纖傳感器利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行頻率調(diào)制來測量物體的運(yùn)動速度34激光多譜勒光纖測束系統(tǒng)359.5.3 光纖液位傳感器1n1n2空氣液體輻射損耗也可以測量液體折射率及濃度1、對于階躍光纖及梯度光纖，通過子午面的光線軌跡分別有何特點(diǎn)？2、何謂功能型及非功能型光纖傳感器？請舉例。3、光纖的集光本領(lǐng)與哪些因素有關(guān)？376-2、簡述光電導(dǎo)型攝像管的結(jié)構(gòu)和工作過程基本結(jié)構(gòu)包括：光電導(dǎo)靶，電子束掃描區(qū)；工作過程：進(jìn)入攝像管的光學(xué)圖像在光電導(dǎo)靶上由于光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成與光照對應(yīng)的電位圖像；隨后于掃描周期內(nèi)積累并儲存于靶上；電子槍發(fā)出電子束掃