《光纖及光纖傳感器》課件

光纖及光纖傳感器光纖是一種利用玻璃或塑料材料制成的超細(xì)的透明導(dǎo)光線纜。光纖技術(shù)的飛速發(fā)展為現(xiàn)代通信和自動化監(jiān)測等領(lǐng)域帶來了革命性變革。JY光纖的歷史發(fā)展11960年代初期第一根基于石英玻璃的光纖誕生,標(biāo)志著光纖通信技術(shù)的起源。21970年代中期掌握了光纖制造的核心技術(shù),使光纖損耗降低到1dB/km以下。31980年代初期光纖通信開始商業(yè)應(yīng)用,替代了傳統(tǒng)的銅線電纜通信系統(tǒng)。光的傳播光波是一種電磁波,在空間中以光速C=3×10^8米/秒的速度傳播。光在真空中傳播時不會受任何阻礙,但在其他介質(zhì)中會受到散射和吸收的影響。光的直線傳播特性使得它能夠以極高的速度在遠(yuǎn)距離內(nèi)傳輸信息。光纖的基本結(jié)構(gòu)光纖是一種具有中心芯、包層和保護(hù)層等基本結(jié)構(gòu)的柔性光導(dǎo)體。芯層為石英玻璃材料,通過折射率差異實現(xiàn)光的全內(nèi)反射傳輸。包層也由石英玻璃制成,其折射率低于芯層,起到包裹和保護(hù)芯層的作用。外層的保護(hù)層由塑料材料制成,可以保護(hù)光纖免受外界環(huán)境的損害。光纖的材料石英玻璃石英玻璃是光纖最常見的基材,具有優(yōu)異的光學(xué)性能和機械強度。塑料光纖塑料光纖制造成本低廉,更耐用,適用于短距離通信。特種光纖特種光纖包括摻雜光纖和光子晶體光纖,可滿足特殊應(yīng)用需求。光纖芯材光纖芯材的折射率和純度直接影響光信號的傳輸質(zhì)量。光纖的制造工藝1預(yù)制棒制備通過化學(xué)氣相沉積制備高純石英玻璃預(yù)制棒2拉制光纖將預(yù)制棒置于高溫熔爐中,通過拉制成細(xì)長的光纖3涂覆保護(hù)層將光纖表面涂覆高分子材料保護(hù)層,增強機械性能4后處理對光纖進(jìn)行檢測和分類,確保質(zhì)量合格后才能出廠光纖的制造工藝主要包括預(yù)制棒制備、拉制光纖、涂覆保護(hù)層和后處理等步驟。通過精密的化學(xué)氣相沉積工藝生產(chǎn)高純石英玻璃預(yù)制棒,然后在高溫熔爐中拉制成細(xì)長的光纖。最后在光纖表面涂覆高分子保護(hù)層,并進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測，確保光纖性能優(yōu)異。光纖的特點低損耗光纖具有非常低的信號損耗,能夠大幅提高信號傳輸距離。這是光纖相對于電纜的一大優(yōu)勢。高帶寬光纖可以傳輸大量數(shù)據(jù),帶寬極大,能滿足現(xiàn)代高速通信的需求?？垢蓴_性強光纖由于不受電磁干擾,能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性。體積小巧光纖芯徑小,能有效節(jié)省鋪設(shè)空間,適合敷設(shè)在狹窄的環(huán)境中。光纖的類型單模光纖單模光纖具有小核徑,能夠傳輸單一光模式,適用于遠(yuǎn)距離通信,傳輸損耗小,但制造和連接復(fù)雜。多模光纖多模光纖核徑較大,能夠傳輸多個光模式,適用于短距離通信,制造和連接相對簡單,但傳輸損耗較大。漸變折射率光纖漸變折射率光纖可以減少多模色散,適用于中等距離通信,結(jié)構(gòu)和性能介于單模和多模光纖之間。單模光纖和多模光纖光纖根據(jù)傳播模式的不同可以分為單模光纖和多模光纖兩種。單模光纖只允許一種光模式傳輸,能夠提供更高的帶寬和更低的色散。多模光纖能夠同時傳輸多種光模式,通常用于較短的傳輸距離,適用于家庭和小型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。這兩種光纖各有優(yōu)缺點,根據(jù)具體應(yīng)用場景進(jìn)行選擇。光纖的損耗光纖在傳輸過程中會因材料吸收、瑞利散射、彎曲、接頭和熔接等原因?qū)е鹿夤β实膿p失,從而引起信號的衰減。這些損耗因素需要盡量降低,以確保光纖通信的可靠性。光纖的衰減5dB/km受光功率降低1.5dB連接器損耗0.2dB/km纖芯散射損耗0.5dB/km玻璃吸收損耗光纖在傳輸過程中會產(chǎn)生各種形式的損耗,主要包括受光功率的衰減、連接器損耗、纖芯散射損耗和玻璃吸收損耗。這些損耗會導(dǎo)致光功率逐步遞減,限制了光纖的最大傳輸距離。合理控制這些損耗因素對于保證光纖通信系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。光纖的色散群速度色散(GroupVelocityDispersion)光纖中不同波長的光脈沖傳播速度不同,導(dǎo)致脈沖展寬。色散極限光纖長度和所需帶寬的限制因素,影響傳輸距離。色散補償采用色散補償光纖或光學(xué)濾波器等技術(shù)來補償色散效應(yīng)。光纖的色散效應(yīng)是光通信系統(tǒng)中的重要限制因素,影響傳輸距離和帶寬。通過分析不同類型的色散以及采取有效補償措施,可以大幅提高光纖通信系統(tǒng)的性能。光纖的機械性能1抗拉性能光纖具有很高的抗拉強度,能承受大的張力而不會損壞。這使其能承受敷設(shè)和安裝過程中的應(yīng)力。2抗彎曲性能光纖能夠在一定范圍內(nèi)彎曲而不會損壞,這使其能夠通過狹窄和復(fù)雜的空間進(jìn)行敷設(shè)。3耐壓性能光纖在正常使用條件下能夠承受較高的壓力而不會損壞,這保證了其在敷設(shè)和使用過程中的可靠性。4耐磨性能光纖具有良好的耐磨性,能夠抵御一定程度的機械摩擦和刮擦,增加其使用壽命。光纖的連接和接頭對接連接將兩根光纖的端面緊密接觸在一起，可實現(xiàn)光信號的無縫傳輸。這種連接方式損耗小、易實現(xiàn)。融熔連接使用專業(yè)熔接設(shè)備將光纖端面融熔在一起,形成連續(xù)的光路。融熔連接損耗更小,穩(wěn)定性更好。接頭連接利用光纖連接器實現(xiàn)快速可靠的光纖對接,適用于需要頻繁拆卸的場合。接頭連接損耗較大但操作簡單。光纖的連接器多樣性光纖連接器有多種類型,包括FC、SC、LC、ST等,用于不同應(yīng)用場景和光纖直徑。低損耗優(yōu)質(zhì)的光纖連接器可以實現(xiàn)低光學(xué)信號損耗,確保光信號傳輸質(zhì)量。易操作許多光纖連接器采用快速連接和斷開設(shè)計,方便安裝和維護(hù)?？煽啃詫I(yè)級光纖連接器具有良好的機械性能和環(huán)境適應(yīng)性,確保長期穩(wěn)定運行。光纖的熔接1準(zhǔn)備工作仔細(xì)清潔光纖端面，去除任何雜質(zhì)和劃痕。2對準(zhǔn)光纖精確調(diào)整光纖位置,確保中心軸對準(zhǔn)。3熔接利用高壓放電融化光纖,使其連接成一體。4檢查仔細(xì)檢查熔接質(zhì)量,確保連接穩(wěn)固可靠。光纖熔接是將兩根光纖端面精準(zhǔn)對準(zhǔn)并融合在一起的過程。這需要特殊的工具和嚴(yán)格的操作步驟,以確保光信號傳輸?shù)倪B續(xù)性和穩(wěn)定性。成功的熔接將大幅降低光信號的損耗,提高通信系統(tǒng)的性能。光纖傳感的基本原理1光信號檢測光纖傳感器利用光信號的一些特性,如強度、頻率、相位或偏振狀態(tài)等,來檢測和測量外部環(huán)境參數(shù)的變化。2光-電轉(zhuǎn)換通過光電轉(zhuǎn)換裝置,將檢測到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號,進(jìn)而實現(xiàn)對所測參量的數(shù)字化表示和處理。3信號分析與處理利用專門的信號處理電路和算法,對轉(zhuǎn)換得到的電信號進(jìn)行分析和處理,最終獲得所需的測量數(shù)據(jù)。光纖傳感器的類型本征光纖傳感器利用光纖本身的物理特性測量各種物理量,如溫度、應(yīng)變、壓力等。外部調(diào)制型光纖傳感器利用外部環(huán)境變化導(dǎo)致光纖參數(shù)改變的原理進(jìn)行測量,如折射率、衰減等。復(fù)合型光纖傳感器將本征光纖傳感器和外部調(diào)制型光纖傳感器結(jié)合,實現(xiàn)更復(fù)雜的測量功能。光纖干涉?zhèn)鞲衅骰窘Y(jié)構(gòu)光纖干涉?zhèn)鞲衅魍ㄟ^分光和合光的機理測量外界物理量變化,采用兩束光干涉產(chǎn)生的相位差作為測量依據(jù)。測量范圍廣光纖干涉?zhèn)鞲衅骺蓽y量位移、應(yīng)變、壓力、溫度等多種物理量,應(yīng)用十分廣泛。優(yōu)勢突出靈敏度高抗電磁干擾體積小、重量輕光纖光柵傳感器基本結(jié)構(gòu)光纖光柵傳感器是一種利用光纖內(nèi)部微小折射率調(diào)制來檢測外界物理量變化的光纖傳感器。其核心部件是光纖光柵，由光纖中均勻分布的微小折射率變化組成。工作原理當(dāng)外界物理量如溫度、應(yīng)變等發(fā)生變化時，光纖光柵的周期性折射率也會隨之改變，從而引起光纖中特定波長的光信號發(fā)生變化，形成可測量的物理量輸出。光纖光強傳感器光強檢測光纖光強傳感器可以精準(zhǔn)檢測光線的強弱變化。能量監(jiān)控通過監(jiān)控光能的變化,可以實現(xiàn)對能源的精準(zhǔn)控制。信號處理光強信號經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換后,可進(jìn)行復(fù)雜的信號處理。光纖折射率傳感器1基本原理基于光纖折射率對外界環(huán)境變化敏感的特性,通過測量光纖折射率的變化來感知環(huán)境參數(shù)的變化。2構(gòu)造特點通常由光纖、光源、檢測器等組成,能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度、壓力、濕度等參數(shù)的測量。3優(yōu)勢特點體積小、抗電磁干擾能力強、分布式測量能力,適用于惡劣環(huán)境下的檢測。4應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于石油化工、電力、建筑等領(lǐng)域的壓力、溫度、濕度等參數(shù)檢測。光纖應(yīng)變傳感器應(yīng)變傳感概念光纖應(yīng)變傳感器利用光纖的機械特性,當(dāng)外力作用于光纖時會引起光纖的形變,從而導(dǎo)致光學(xué)參數(shù)的變化,最終轉(zhuǎn)換為電信號輸出,實現(xiàn)應(yīng)力或應(yīng)變的測量。測量原理光纖應(yīng)變傳感器主要利用光纖中傳播光信號的相位變化、強度變化或波長變化來感知和測量應(yīng)變。通過檢測這些參數(shù)的變化,就可以得到應(yīng)力或應(yīng)變的大小。典型結(jié)構(gòu)光纖應(yīng)變傳感器通常由光纖、光源、光檢測器和信號調(diào)理電路等部分組成。光纖作為敏感元件,將應(yīng)力或應(yīng)變轉(zhuǎn)換為光信號變化。光纖溫度傳感器原理利用光纖光學(xué)特性隨溫度變化而變化的原理,可以實現(xiàn)準(zhǔn)確的溫度測量。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、石油化工、航空航天等領(lǐng)域的溫度檢測和監(jiān)測。優(yōu)勢抗電磁干擾、安全性高、體積小、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點,是理想的溫度傳感器。光纖濕度傳感器測量原理利用光纖材料對水分吸收的變化引起光學(xué)參數(shù)變化的原理來實現(xiàn)濕度檢測。傳感機制通過光纖材料與水分子的相互作用,改變光纖折射率和吸收系數(shù),從而檢測環(huán)境濕度。性能特點具有高靈敏度、快速響應(yīng)、抗電磁干擾、體積小等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測。光纖位移傳感器測量位移變化光纖位移傳感器利用光纖長度的變化檢測物體的位移變化量。它能精準(zhǔn)測量微小的位置變化。廣泛應(yīng)用領(lǐng)域這種傳感器廣泛應(yīng)用于土木工程、機械制造、智能交通等領(lǐng)域,監(jiān)測建筑物、橋梁以及各種設(shè)備的位移。優(yōu)勢特點光纖位移傳感器體積小、抗干擾能力強、測量精度高、響應(yīng)速度快。是一種理想的位置監(jiān)測方案。測量原理通過光纖長度變化引起的光路差或光強變化來間接測量位移,能實現(xiàn)遠(yuǎn)程、多點同時監(jiān)測。光纖加速度傳感器1利用光纖彎曲原理光纖加速度傳感器通過檢測光纖的微小彎曲來測量加速度變化。2高精度和寬動態(tài)范圍光纖加速度傳感器具有高分辨率、低噪聲和寬測量范圍的特點。3抗電磁干擾光纖材料本身不導(dǎo)電,不受電磁干擾影響,適用于惡劣環(huán)境。4廣泛應(yīng)用領(lǐng)域光纖加速度傳感器廣泛用于航空航天、交通運輸、機械工程等領(lǐng)域。光纖泄漏檢測高精度監(jiān)測利用光纖傳感技術(shù)可以實現(xiàn)對管道及電纜等的高精度泄漏監(jiān)測,及時發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行修復(fù)。工作原理通過檢測光纖傳感線圈周圍的環(huán)境變化,如壓力、溫度等,來判斷是否發(fā)生泄漏。廣泛應(yīng)用光纖泄漏檢測廣泛應(yīng)用于石油天然氣管線、供水管網(wǎng)、電纜隧道等基礎(chǔ)設(shè)施的安全監(jiān)測。光纖通信應(yīng)用高帶寬傳輸光纖可以提供超高的帶寬,能夠傳輸大量數(shù)據(jù),適用于視頻、語音和數(shù)據(jù)的高速通信?？垢蓴_性強光纖免受電磁干擾,不會產(chǎn)生信號泄露或串?dāng)_,確保通信的安全性和可靠性。長距離傳輸單根光纖可以傳輸數(shù)百公里,大大提高了通信距離,減少了中繼器的數(shù)量。低功耗傳輸光纖傳輸損耗小,可以使用更低功率的發(fā)射器,從而節(jié)省能源和降低成本。光纖傳感在工業(yè)中的應(yīng)用工廠自動化光纖傳感器可用于工廠生產(chǎn)線的精密測量和控制,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。管道監(jiān)測光纖傳感器可監(jiān)測管道的壓力、溫度、腐蝕等狀況,及時發(fā)現(xiàn)問題并預(yù)防事故。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測光纖傳感器可監(jiān)測大型結(jié)構(gòu)如橋梁