第11章光纖傳感測量

01二月2023《光電檢測技術(shù)及應(yīng)用》第11章光纖傳感測量任課教師：徐熙平目錄11.1光導(dǎo)纖維的基本知識光纖傳光原理、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、光纖傳感器、光變換器與光纖兼容第11章光纖傳感測量一、光導(dǎo)纖維的基本知識1、光纖傳光原理光纖傳光原理≥≤≥第11章光纖傳感測量一、光導(dǎo)纖維的基本知識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）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)芯的保護層的作用。第11章光纖傳感測量一、光導(dǎo)纖維的基本知識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，芯徑一般小于10μm，其斷面結(jié)構(gòu)芯細、包層厚。多模光纖心徑大于50μm，斷面結(jié)構(gòu)芯粗、包層薄，在光傳輸時有多種空間電磁場模式存在。相比之下單模光纖波形失真小，損耗小，近年來更加受到重視。

在傳輸光信息時，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11章光纖傳感測量一、光導(dǎo)纖維的基本知識3、光纖的基本特性

衰減

光在光纖傳輸時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11章光纖傳感測量一、光導(dǎo)纖維的基本知識帶寬

脈沖光在光纖傳輸時，導(dǎo)致脈沖展寬的三個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，采用色散一詞來描述這些參數(shù)的變化。(1)不同的脈沖模式的激光在光纖傳輸時，它們將以不同的時間傳輸?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11章光纖傳感測量一、光導(dǎo)纖維的基本知識光纖作為傳輸介質(zhì)的優(yōu)缺點1）現(xiàn)代光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題，防止光纖間串擾，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)來制造。5）光纖是高強度抗斷裂材料，具有體積小、重量輕及韌性好等優(yōu)點。缺點是應(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械加工的難度。第11章光纖傳感測量二、光纖傳感器原理及應(yīng)用1、分類與特點光纖本身是傳感介質(zhì)，被檢測的物理參數(shù)影響光纖，而使其傳輸特性產(chǎn)生適當?shù)淖兓还饫w作為光導(dǎo)介質(zhì)，利用光纖把光引導(dǎo)到變換器或從其中引出，該變換器能使物理參數(shù)改變兩種長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距離探測器。抗電磁干擾、安全性高、高電氣絕緣、無電源工作、可以用于各種高溫場合。具有低損耗的特點，可使用很長的分布式傳感器。在已經(jīng)出現(xiàn)的基本光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡胤剑鈱W(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11章光纖傳感測量二、光纖傳感器原理及應(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直接從光源來的光或通過隔離光纖傳導(dǎo)的光合成便產(chǎn)生干涉，構(gòu)成了一個靈敏的光學(xué)干涉儀，干涉信號再用現(xiàn)代化的光電線路處理就能檢測溫度、壓力及旋轉(zhuǎn)速率等參量。光纖陀螺儀的原理示意圖第11章光纖傳感測量二、光纖傳感器原理及應(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)合器進行外差，得頻率為

′′的聲信息相位調(diào)制信號。相位調(diào)制信號由光敏二極管探測，再由電子學(xué)處理得到聲信息。第11章光纖傳感測量二、光纖傳感器原理及應(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的壓力、振動、位移及聲等參量引起的，那么對于微小變形來說，在芯或包層內(nèi)的光強波動將與信號成正比?？赏ㄟ^檢測纖芯或包層的光強度大小來確定被測量。第11章光纖傳感測量二、光纖傳感器原理及應(yīng)用抽頭纖芯直接與源纖維包層耦合。將強度為的光引進變形器，使源纖芯的光強減小了，變形器后面的源纖芯內(nèi)所剩下的光強為，離開源纖芯的光強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入纖維探測器內(nèi)，通過監(jiān)視源纖維射出的光（亮場）或探測器纖維射出的光（暗場）即可檢測信號。在探測器纖維芯中的光強大小是。第11章光纖傳感測量二、光纖傳感器原理及應(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兩纖維間耦合的光進行調(diào)制。聚光纖維傳感器光能級傳感器檢測原理入射能量對材料激勵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11章光纖傳感測量二、光纖傳感器原理及應(yīng)用光束調(diào)制傳感器

這種傳感器用兩纖維