光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用復(fù)習(xí)提綱201507

/《光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用》復(fù)習(xí)提綱第一章光纖傳感器1．1．1光纖傳感器的定義及分類傳像光纖的作用傳感器光振幅相位光纖傳感器的基本原理偏振態(tài)波長(zhǎng)溫度壓力光纖傳感器可以測(cè)量的物理量磁場(chǎng)、電場(chǎng)位移轉(zhuǎn)動(dòng)用方框圖表示光纖傳感原理示意圖〔圖1-1-1光纖傳感原理示意圖傳感型：利用外界因素改變光纖中光的強(qiáng)度〔振幅、相位、偏振態(tài)或波長(zhǎng)〔頻率,從而對(duì)外界因素進(jìn)行講師和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?稱為傳感型〔功功能型光纖傳感器。特點(diǎn)是傳感合一〔信息獲取和傳輸都在光纖中完成。光纖傳感器分類傳光型：利用其他敏感元件測(cè)得物理量,由光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。特點(diǎn)是充分利用現(xiàn)有傳感器,便于推廣應(yīng)用。散射型干涉型〔相位型按傳感原理分類：偏振型微彎型熒光型1．1．2光纖傳感器的特點(diǎn)〔1抗電磁干擾、絕緣、耐腐蝕；適用于強(qiáng)電磁干擾、易燃、易爆、強(qiáng)腐蝕環(huán)境下使用。〔2靈敏度高；長(zhǎng)光纖可以靈敏地探測(cè)光波的干涉,適用于測(cè)量水聲、加速度、位移、溫度、磁場(chǎng)?！?重量輕、體積小、形狀可變；〔4測(cè)量對(duì)像廣泛；力學(xué)、物理、核物理、航空、航天。〔5對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響??；〔6便于復(fù)用,便于成網(wǎng)；〔7成本低1．2振幅調(diào)制傳感型光纖傳感器〔1什么是：利用外界因素引起的光纖中光強(qiáng)的變化來(lái)探測(cè)物理量等各種參量的光纖傳感器稱為振幅調(diào)制傳感型光纖傳感器。改變微彎狀態(tài)改變耦合條件〔2用來(lái)改變光纖中光強(qiáng)的辦法改變吸收特性改變折射率分布1．2．1光纖微彎傳感器原理：利用微彎損耗的變化,來(lái)探測(cè)外界物理量的變化。微彎損耗：多模光纖微彎時(shí),部分芯模能量轉(zhuǎn)化為包層模能量。通過(guò)測(cè)量芯模能量或包層能量的變化來(lái)測(cè)量位移或振動(dòng)等參量。光纖微彎傳感器原理圖1．2．2光纖受抑全內(nèi)反射傳感器一、透射式原理：全內(nèi)反射缺點(diǎn)：需要精密的機(jī)械調(diào)整和固定裝置,不利于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境使用。透射式光纖受抑全內(nèi)反射傳感器簡(jiǎn)圖二、反射式原理：也可以利用外界介質(zhì)折射率變化,改變臨界全反射條件,使反射光強(qiáng)變?nèi)?從而測(cè)量外界物理量變化。特點(diǎn)：這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無(wú)機(jī)械固定裝置,穩(wěn)定性好反射式光纖受抑全內(nèi)反射傳感器簡(jiǎn)圖1．2．3光纖輻射傳感器原理：X射線、γ射線會(huì)使光纖的吸收損耗增加,輸出端功率下降。1．3相位調(diào)制傳感型光纖傳感器原理：利用外界因素引起的光纖中光波相位變化來(lái)探測(cè)各種物理量。1．3．2光纖M-Z干涉儀和光纖Michelson干涉儀光纖M-Z干涉儀原理圖光纖Michelson干涉儀原理圖當(dāng)外界〔溫度、壓力等因素引起光纖長(zhǎng)度L的機(jī)械變形和折射率n的變化,均可以引起一個(gè)臂中的相位發(fā)生變化,如〔1-3-5式式中光纖的傳播常數(shù),光纖長(zhǎng)度,光纖折射率,光纖直徑。1．3．3薩格納克〔Sagnac干涉儀光纖Sagnac干涉儀原理圖原理：在由同一光纖繞成的光纖圈中沿相反方向前進(jìn)的兩光波,在外界因素作用下產(chǎn)生不同的相移。通過(guò)涉效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)。理論：GeogeSagnac效應(yīng)〔1913年發(fā)表見書〔1-3-6見書,N圈單模光纖〔1-3-7數(shù)值舉例：,,,,1．3．4光纖Fabry-Perot干涉儀2．基本原理光學(xué)F-P腔工作原理如圖所示光學(xué)F-P干涉儀原理示意圖兩個(gè)相應(yīng)嚴(yán)格平行的光學(xué)反射膜,構(gòu)成光學(xué)諧振腔。〔1-3-9〔1-3-10光學(xué)相位〔1-3-11本征型光纖F-P傳感器：兩端面鍍膜的一段光纖做為傳感器的主體；本征型光纖法-珀傳感器原理圖非本征型光纖F-P傳感器：兩根光纖對(duì)在一起,單端面鍍膜,隔開一定間距封裝在一固定的管道內(nèi)。非本征型光纖法-珀傳感器原理圖改進(jìn)型非本征法-珀傳感器原理圖1．3．6白光干涉型光纖傳感器解決問(wèn)題：白光光纖傳感器,利用了白光零級(jí)干涉條紋可見的特點(diǎn),可以進(jìn)行絕對(duì)變化的測(cè)量?？垢蓴_能力強(qiáng),解決了相位型光纖傳感器,只能測(cè)量相對(duì)變化量的問(wèn)題。1．4偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器1．4．2光纖偏振干涉儀單光纖偏振干涉儀原理：先用1/4波振片將線偏振光變成圓偏振光,正交的兩個(gè)偏振光在雙折射單模光纖中均勻激勵(lì),如果相移不同,則出射的合成偏振光可以在左旋--45度線偏--右旋--135度線偏之間變化。〔利用學(xué)過(guò)的電光調(diào)制知識(shí),可知輸出光光強(qiáng)的投影強(qiáng)度為1．5波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器1．5．3光纖布拉格光柵傳感原理原理：光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)取決于光柵周期和反向耦合的有效折射率,可以引起這兩個(gè)量變化的任何變化都可引起布拉格波長(zhǎng)的漂移。可以引起布拉格波長(zhǎng)漂移的因素有——應(yīng)力、應(yīng)變、溫度。拉伸或擠壓可以引起光柵的周期的變化,而光纖材料本身的光彈效應(yīng)可以想起折射率的變化〔溫度變化也可想起類似變化。應(yīng)力變化想起光纖波長(zhǎng)漂移如下式〔1-5-1式中為光纖本身的彈性應(yīng)變,表示彈光效應(yīng)。1．5．5長(zhǎng)周期光纖光柵在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用長(zhǎng)周期光纖光柵特點(diǎn)①無(wú)后向射,不需隔離器,測(cè)量精度較高。②滿足相位匹配條件的模是纖芯基模和包層模,因此對(duì)外界環(huán)境變化非常敏感,具有比布拉格光柵更高的靈敏度。③溫度、應(yīng)變、彎曲、扭曲、橫向負(fù)載、濃度、折射率都很敏感。④體積小、能埋入工程材料。⑤線性范圍大,可測(cè)高溫〔1000⑥化學(xué)傳感器：可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液體折射率和濃度的實(shí)時(shí)測(cè)量。基于外表面涂有特殊塑料履層〔引起折射率的變化,實(shí)現(xiàn)對(duì)相對(duì)濕度、有毒化學(xué)武器的測(cè)量。⑦液位傳感器：諧振波長(zhǎng)與侵入液體中的光柵長(zhǎng)度有關(guān)。⑧多參數(shù)測(cè)量：多個(gè)損耗峰可用來(lái)對(duì)多個(gè)參量進(jìn)行測(cè)量。光纖柜位計(jì)長(zhǎng)周期光纖光柵的缺點(diǎn)：交叉敏感〔溫度、應(yīng)變、折射率解決方法：采用多個(gè)傳感器組合。1．5．6光纖光柵折射率傳感技術(shù)共振模只在纖芯中傳播,包層中的漸逝波場(chǎng)很小,不受外界折射率的影響。為了提高FBG外界對(duì)外界的靈敏度,需要加大漸逝波場(chǎng)。方法：腐蝕拋磨一部分或全部包層。1．FBG折射率傳感器原理圖1-5-6FBG折射率傳感原理示意圖FBG中布拉格波長(zhǎng)〔1-5-2為芯部朋效折射率。導(dǎo)模能量集中在纖芯中,實(shí)際上與包層外的外界折射率無(wú)關(guān)。將光柵所在區(qū)域包層減小到一定程度,使?jié)u逝波能夠與外界環(huán)境有相長(zhǎng)的移動(dòng),就可以制成FBG折射率傳感器。1．6光纖熒光溫度傳感器1．6．1光纖熒光溫度傳原理原理：熒光材料的溫度敏感性〔熒光壽命,熒光光強(qiáng)比1．6．2熒光壽命測(cè)溫脈沖激發(fā)光源的光由光纖傳到熒光材料,而熒光材料發(fā)出的與溫度相關(guān)的熒光衰減則由控測(cè)器接收,并通過(guò)專用的信號(hào)分析單元給出熒光壽命參數(shù)。1．6．3熒光強(qiáng)度比測(cè)溫測(cè)量不同上能級(jí)越遷到同一下能級(jí)的熒光強(qiáng)度比,此比值與溫度有關(guān)。用光譜分析儀分析分別對(duì)應(yīng)于兩個(gè)不同高能態(tài)輻射的熒光譜。1．7分布式光纖傳感器分布式：光纖可沿長(zhǎng)度方向連續(xù)地傳感被測(cè)量〔溫度壓力、應(yīng)力、應(yīng)變。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：即是傳感介質(zhì),又是傳輸介質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)：〔1被測(cè)空間范圍大〔光纖可以很長(zhǎng),連接很遠(yuǎn)〔2結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便〔有時(shí)甚至可以是普通通信光纖〔3性價(jià)比高〔成本低散射型干涉型〔相位型按傳感原理分類：偏振型微彎型熒光型分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)按用途分：分布式光纖壓力傳感器系統(tǒng)分布式光纖應(yīng)用/應(yīng)變傳感器系統(tǒng)5．分布式光纖傳感器的特征參量空間分辯率〔沿光纖長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)最小的能分辯空間距離三個(gè)分辯率：時(shí)間分辯率〔達(dá)到被測(cè)量的分辯率所需要的時(shí)間被測(cè)量分辯率〔溫度、壓力、應(yīng)力/應(yīng)變〔能正確測(cè)量的程度,信噪比=11．7．3偏振型分布式光纖傳感器原理：利用高雙折射光纖在外界因素下引起的偏振量耦合來(lái)感知被測(cè)量的變化,再利用掃描麥克爾遜干涉儀測(cè)出被測(cè)量的位置。1．7．4相位型分布式光纖傳感器圖1-7-4分布式Sagnac光纖應(yīng)力傳感器簡(jiǎn)圖利用干涉儀的原理。1．7．5微彎型分布式光纖傳感器利用光纖中的微彎損耗效應(yīng)和OTDR技術(shù)可構(gòu)成分布式光纖應(yīng)變傳感器。1．7．6熒光型分布式光纖傳感器利用熒光信號(hào)指數(shù)衰減,熒光壽命與溫度有關(guān),由沖式激光做光源。1．8聚合物光纖傳感器構(gòu)成：由聚合物多模光纖制造〔單模光纖光柵處于研究中應(yīng)用領(lǐng)域：安全傳感器、溫度傳感器、生物傳感器、化學(xué)傳感器、氣體傳感器、露點(diǎn)傳感器、流量傳感器、pH傳感器、渾濁度傳感器。優(yōu)點(diǎn)：彈性低〔低楊氏模量,"柔軟"、抗腐蝕、大拉伸強(qiáng)度、抗震動(dòng)沖擊、不易折斷、材料可選范圍廣。缺點(diǎn)：化學(xué)/熱學(xué)/機(jī)械性能不穩(wěn)定,尤其是在惡劣溫茺、濕度、紫外輻照下。工作溫度低,85℃第二章多傳感器的光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)2．2．1網(wǎng)絡(luò)損耗的主要來(lái)源1．彎曲引起的光纖損耗〔彎曲損耗彎曲損耗：宏彎損耗微彎損耗1光纖的宏彎損耗曲率半徑在一個(gè)臨界值,時(shí)附加損耗可以忽略不計(jì)；否則,彎曲損耗指數(shù)增加。確定R值是很重要的。多模光纖時(shí),附加損耗可以忽略不計(jì)。圖2-2-1損耗與彎曲半徑R的關(guān)系2光纖的微彎損耗〔1多模光纖的微彎損耗多模光纖在微彎時(shí),主要是相鄰模之間發(fā)生耦合①微彎波矢量〔微彎周期時(shí),損耗最大。②處的主衰減峰的譜寬為,主衰減峰兩側(cè)還有次極大出現(xiàn)。③損耗與微彎振幅〔平方成正比〔這一點(diǎn)可以加以利用。④損耗與微彎總長(zhǎng)度L成正比?！?單模光纖的微彎損耗模斑半徑越小,損耗越小。2．光纖和光源的耦合損耗1半導(dǎo)體激光器和光纖的耦合損耗半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光不是圓的光班,其發(fā)散角在互為垂直的方向上也不一樣大?！?-2-1其中,圖2-2-2半導(dǎo)體激光器發(fā)光的角分布〔1直接耦合的損耗圖2-2-3半導(dǎo)體激光器和光纖耦合的示意圖直接耦合：將光纖端面直接指向激光器發(fā)光面〔點(diǎn)。舉例：光纖NA=0.14,其孔徑角約為16°半導(dǎo)體激光管發(fā)散角〔平行于PN結(jié)僅為5°~6°,距離很近時(shí),可以全部耦合；大于,不能保證全部的光都能進(jìn)入光纖。耦合效率的計(jì)算：〔2-2-2式中——誤差函數(shù),在平面內(nèi),為常數(shù)。顯然,包含在光纖孔徑角內(nèi)的光功率是估算,光纖端面損耗5%,則〔2-2-3圖2-2-4耦合效率和發(fā)光寬度的關(guān)系■舉例：,的激光和〔的直接耦合,約為20%。〔2透鏡耦合的損耗①光纖端面磨成球面的耦合②柱透鏡耦合③凸透鏡耦合〔也可用自聚焦透鏡代替④圓錐表透鏡耦合2半導(dǎo)體發(fā)光二極管和光纖的耦合損耗發(fā)光管不同于激光器,其發(fā)光相當(dāng)于余弦發(fā)光體。后者相光強(qiáng)分布相當(dāng)于高斯形。用朗伯發(fā)光面〔見固體光電子學(xué),半球空間發(fā)出的總功率為〔2-2-5——發(fā)光面積,B——光源亮度〔單位面積向某方向單位立體角發(fā)出的光功率；圖2-2-9發(fā)光二極管光功率分布示意圖通常,半導(dǎo)體二極管發(fā)光點(diǎn)的面積比光纖端面積小?！惨妶D直接耦合時(shí)的最大效率為〔2-2-6舉例：當(dāng)時(shí),效率為2%,功率為5mW的發(fā)光二極管,耦合入光纖的功率僅為幾十微瓦。采用透鏡耦合,與激光管類似。3．光纖和光纖的直接耦合損耗1多模光纖和多模光纖的直接耦合損耗〔1軸偏離對(duì)耦合損耗的影響〔2兩光纖端面之間的間隙對(duì)耦合損耗的影響〔3兩光纖軸之間的傾斜對(duì)耦合損耗的影響〔4光纖端面的不完整性對(duì)耦合損耗的影響①端面傾斜②端面彎曲〔5光纖種類不同對(duì)耦合損耗的影響①芯徑不同②折射率不同：2單模光纖和單模光纖直接耦合的損耗〔1離軸和軸傾斜引起的損耗〔2兩光纖端面間的間隙引起的耦合損耗〔3不同種類光纖引起的耦合損耗2．2．2光網(wǎng)絡(luò)常用無(wú)源及有源光纖器件屬于有損耗器件：光連接器、光耦合器、光開關(guān)、光衰減器、光隔離器、光濾波器、波分復(fù)用/解復(fù)用器等。1．熔錐型單模光纖光分/合路連接器2．磨拋型單模光纖定向耦合3．光開關(guān)1機(jī)械式光開關(guān)〔1微光機(jī)電系統(tǒng)光開關(guān)微光機(jī)電系統(tǒng)MEMOS〔2金屬薄膜光開關(guān)2電光效應(yīng)光開關(guān)4．摻雜光纖激光器與放大器〔略5．光纖放大器〔略2．3光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)2．3．2成網(wǎng)技術(shù)復(fù)用技術(shù)：光波分復(fù)用〔OWDM、光時(shí)分復(fù)用技術(shù)〔OTDM、光碼分復(fù)用技術(shù)〔OCDMA、光頻分復(fù)用技術(shù)〔OFDM、光空分復(fù)用技術(shù)OSDM、光副載波復(fù)用技術(shù)〔OSCM。名詞的英文全稱。1．光纖時(shí)分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)時(shí)分復(fù)用〔timedomainmultiplexing——依時(shí)間順序依次訪問(wèn)一系列傳感器。2．光纖頻分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)調(diào)制頻域復(fù)用〔modulationfrequencydomainmultiplexing,MFDM頻域復(fù)用波分復(fù)用〔wavelengthdivisionmultiplexing,WDM1調(diào)制頻域復(fù)用2波分復(fù)用第三章光電傳感器中的光纖技術(shù)3．4光纖的損耗3．5光纖的色散〔1多模色散〔群速不同〔2波導(dǎo)色散〔模的群速隨波長(zhǎng)變化〔3材料色散〔材料本身的色散〔4偏振〔模色散〔軸不對(duì)稱HE11x模與HE11y正交,光纖的軸不對(duì)稱,兩模群延遲不同。3．6光纖的耦合技術(shù)〔略3．7光纖中光波的控制技術(shù)3．7．1光纖偏振器1．光纖偏振控制器光纖中可利用光彈效應(yīng)改變偏振態(tài)。光纖彎曲時(shí),由應(yīng)力作用引起折射率的變化快軸——彎曲平面內(nèi)慢軸——垂直于彎曲平面。當(dāng)〔,為波片。例如：的紅光,的光纖繞成的一個(gè)圈時(shí),成為波片,兩圈時(shí),成為波片。光纖偏振控制器裝置圖1．Mach-Zehnder光纖濾波器Mach-Zehnder光纖濾波器結(jié)構(gòu)示意圖兩臂相差〔用PZT調(diào)整；；若以兩頻率、從1入射,且滿足則有,頻率不同的光被分開或時(shí),都能被分開。只要是的整數(shù)倍。濾波器個(gè)數(shù)是頻率個(gè)數(shù)的倍。級(jí)聯(lián)Mach-Zehnder光纖濾波器2．Fabry-Perot光纖濾波器光纖波導(dǎo)腔FFPF——直接鍍高反膜〔a,自由譜區(qū)小結(jié)構(gòu)空氣隙腔FFPF——空氣隙〔b,損耗大改進(jìn)型波導(dǎo)腔FFPF——有小間波導(dǎo)〔c,損耗小,譜區(qū)可調(diào)、大。3．7．4光隔離器法拉弟效應(yīng)圖3-7-8光隔離器原理圖入光→P1→a〔O光,垂直→F〔+45度→R〔+45度→a〔e光,水平→與b合路→b〔e光,水平→F〔+45度→R〔+45度→b〔O光,水平→P2→更分開←P1←a〔e光,水平←F〔+45度←R〔-45度←a〔e光,水平←P2←←P1←b〔O光,垂直←F〔+45度←R〔-45度←b〔O光,垂直←P2←反光第四章光傳感信號(hào)處理技術(shù)4．1概述光傳感器直接測(cè)量的是光的強(qiáng)度,引起強(qiáng)度變化的原因可以是振幅、相位。要根據(jù)引起光強(qiáng)變化的原理,減少誤差獲得高精度的測(cè)量結(jié)果。信號(hào)處理技術(shù)1．強(qiáng)度調(diào)制型光傳感器光源、光探測(cè)器、光傳輸〔光纖、耦合器、光開關(guān)都會(huì)引起光強(qiáng)變化。補(bǔ)償方法：雙光路補(bǔ)償、雙波長(zhǎng)補(bǔ)償、四端光網(wǎng)絡(luò)等。2．相位調(diào)制型光傳感器溫度、壓力可引起相位的變化。相位變化只能通過(guò)干涉來(lái)測(cè)量。信號(hào)處理較為復(fù)雜。3．偏振調(diào)制型光傳感器檢測(cè)光波通過(guò)偏振器件后光強(qiáng)的變化。同"強(qiáng)度調(diào)制型",采用四端網(wǎng)絡(luò)較好。4．波長(zhǎng)調(diào)制型光傳感器檢測(cè)波長(zhǎng)的微小位移,關(guān)鍵是波長(zhǎng)位移檢測(cè)元件。4．2相位調(diào)制型光傳感器的信號(hào)解調(diào)技術(shù)相位檢測(cè)靈敏度為10-6rad,極易受外界因素干擾〔溫度、壓力、震動(dòng),基本采用干涉儀結(jié)構(gòu)〔M-Z,Michelson,Sagnac,F-P。下面內(nèi)容以M-Z為例。4．2．1雙光束干涉理論圖4-2-1光纖Mach-Zehnder干涉儀輸出1的光強(qiáng)初始相位,與干涉儀光程差,環(huán)境噪聲〔溫度、振動(dòng)有關(guān)。圖4-2-2光纖干涉信號(hào)與相位角的關(guān)系〔1干涉儀的靈敏度：與有關(guān),時(shí)最小,時(shí)最大。此點(diǎn)為正交工作點(diǎn)?！?的變化范圍：不要超過(guò),這是由于干涉強(qiáng)度的周期變化。注：……以下書中與貝塞爾函數(shù)有關(guān)的內(nèi)容略。4．6干涉型光纖