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1、光纖的最初研究是為了通訊，光纖傳感器是伴隨著光纖通訊和光電技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感器。,光纖傳感器優(yōu)點(diǎn):靈敏度高，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)范圍大，防電磁干擾，超高電絕緣，防燃、防爆，體積小，耐腐蝕，材料資源豐富、成本低等。,光纖與激光器、半導(dǎo)體光電探測(cè)器一起構(gòu)成了新的光電技術(shù)，即光電子學(xué)領(lǐng)域.,光導(dǎo)纖維(Optical Fiber)簡(jiǎn)稱(chēng)光纖,是20世紀(jì)后半葉人類(lèi)的重要發(fā)明之一。,第9章 光導(dǎo)纖維與光纖傳感器,光纖傳感器的缺點(diǎn): 有的系統(tǒng)比較復(fù)雜,光纖傳感器可測(cè)的物理量：（現(xiàn)在已實(shí)現(xiàn)的傳感物理量）有壓力、溫度、位移、角度、加速度、應(yīng)變、電流、電壓及某些化學(xué)量測(cè)量等，因此，應(yīng)用前景十分廣闊。,光纖傳感器

2、的應(yīng)用與光電技術(shù)密切相關(guān)。因而，光纖傳感器也成為光電檢測(cè)技術(shù)的重要組成部分,為什么把光纖傳感器看作光電檢測(cè)技術(shù)的組成部分?,高錕在“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”取得了突破性成就。,例如，在石英中加入折射率低于石英的B2O3，即包層材料為B2O3SiO2,例如，在石英中加入折射率高于石英的GeO2或P2O3；稱(chēng)為鍺-硅光纖或磷-硅光纖。,纖芯是由玻璃、石英或塑料等制成的圓柱體，一般直徑約為5150微米.,圍繞著纖芯的那一層叫包層，材料也是玻璃或塑料等。,纖芯的折射率n1(1.5)包層的折射率n2(1.485)。,外套起保護(hù)光纖的作用，其折射率n3包層的折射率,由于纖芯和包層構(gòu)成了一個(gè)

3、同心圓雙層結(jié)構(gòu)，所以光纖具有使光束封閉在纖芯里面?zhèn)鬏數(shù)墓δ堋?通常人們又把較長(zhǎng)的或多股的光纖稱(chēng)之為光纜。,一 光導(dǎo)纖維基礎(chǔ)知識(shí),（一）光纖的結(jié)構(gòu),光纖由纖芯、包層及外套組成,芯包間相對(duì)折射率差為:,梯度型光纖：纖芯內(nèi)的折射率從中心軸線開(kāi)始沿徑向按拋物線規(guī)律變化,中心軸線折射率最大,光在傳播中會(huì)自動(dòng)地從折射率小的界面處向中心會(huì)聚.,在纖芯內(nèi)，中心光線沿光纖的軸線傳播，通過(guò)軸 線的子午光線呈正弦波曲線。,梯度型光纖又稱(chēng)為自聚焦光纖,其折射率分布為,纖芯的折射率n1分布均勻，固定不變；包層內(nèi)的折射率n2分布也大體均勻，但纖芯到包層的折射率變化呈臺(tái)階狀。,在纖芯內(nèi)，中心光線沿光纖的軸線傳播，通過(guò) 軸線

4、的子午光線呈鋸齒形軌跡。那么什么是子午光 線？,(二)光纖的種類(lèi),(1) 根據(jù)折射率的變化規(guī)律，光纖分為階躍型(Step Index Fiber)和梯度型(Graded Index Fiber)兩種,階躍型光纖:,,,歸一化頻率是光纖的最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，是一個(gè) 直接與頻率成正比的無(wú)量綱的量，它能表征光纖中傳 播模式的數(shù)量。,光纖中只允許傳播一個(gè)模式，即基模。V<2.405 也就是單模光纖單模傳輸?shù)臈l件,單模光纖在給定的工作波長(zhǎng)上，只能傳輸單一基模（HE11），其它高階模均被截止。,(3) 根據(jù)傳播波長(zhǎng)，光纖分為短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)兩種：短波長(zhǎng)是0.85微米，長(zhǎng)波長(zhǎng)是1.3和1.55微米,“麥?zhǔn)戏匠探M

5、+光纖的邊界條件”的解就是光纖中的可能傳播的模式。,光纖中的模和光纖的性能參數(shù)有關(guān)：如纖芯直徑大小，折射率分布因子，光纖芯包的相對(duì)折射率差，數(shù)值孔徑和傳播的波長(zhǎng)等有關(guān)。,(2) 根據(jù)傳輸模式，光纖分為單模和多模兩種,什么是光纖中的模式？,光纖中的模式：是指電磁場(chǎng)在光纖中可能的存在方式，可能的傳播方式。,光纖中的模大略可分為兩類(lèi)：傳導(dǎo)模和輻射模,在光纖中還有一個(gè)比較有用的歸一化頻率參數(shù)V,（三）光纖的傳光原理,當(dāng)光線以較小的入射角由光密媒質(zhì)n1射入光疏媒質(zhì)n2時(shí),,若繼續(xù)加大入射角,使得折射角為90度，此時(shí)入射角為？,,若繼續(xù)加大入射角, 光不再產(chǎn)生折射，而只有在光密媒質(zhì) 中的反射，即形成了光的

6、全反射現(xiàn)象,本征吸收是物質(zhì)固有的,主要由紫外紅外波段電子躍遷與振動(dòng)躍遷引起.雜質(zhì)吸收由于材料的正過(guò)渡離子的電子躍遷和OH-的分子振動(dòng)引起.原子吸收由于強(qiáng)烈的熱和光或者輻射使光纖材料受激出現(xiàn)缺陷而致.,光纖的彎曲也會(huì)造成散射損耗：光纖邊界條件的變化，使光在光纖中無(wú)法進(jìn)行全反射傳輸。光纖的彎曲半徑越小，造成的散射損耗越大。,多模短波長(zhǎng)(0.8-0.9m)光纖為2.5dB/km-3dB/km；,多模光纖損耗的指標(biāo)大致為：,散射損耗是由于光纖材料的不均勻或存在缺陷引起的。如瑞利散射就是由于材料的缺陷引起折射率隨機(jī)性變化所致。,例如:“1966年，高錕用純度極高的玻璃纖維在超過(guò)100km的距離以上成功傳

7、輸了光信號(hào)，而在60年代普通的纖維只能傳輸光信號(hào)20m遠(yuǎn)?！?物質(zhì)對(duì)光的吸收作用將使傳輸?shù)墓饽茏兂蔁崮?，造成光能的損失,入射光纖中的光，由于存在著費(fèi)涅耳反射損耗、吸收損耗、全反射損耗以及彎曲損耗等，光纖不可能百分之百地將入射光的能量傳播出去。,(四)光纖的傳輸特性,1、傳輸損耗,當(dāng)光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng)，輸入與輸出的光功率分別為Pi和P0時(shí),光纖的損耗系數(shù),光纖損耗主要包括吸收損耗和散射損耗,OH-離子難以根除,其分子振動(dòng)躍遷在波段0.85m, 1.31m,1.55m吸收很少,最小在1.55m,吸收損耗包括:本征吸收,雜質(zhì)吸收和原子吸收.,多模長(zhǎng)波長(zhǎng)(1.5m)光纖為1dB/km-1.5dB/km；,單

8、模長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖為0.2dB/km-0.5dB/km。,雜質(zhì)：金屬離子Fe、Co、Ni、Mn,梯度型光纖的時(shí)延差為：,對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖來(lái)說(shuō)，在1.3m附近有零色散區(qū)，這是目前較長(zhǎng)距離大容量光纖通信選擇1.3m為中心波長(zhǎng)的主要原因！,模式色散實(shí)際是指光線到達(dá)接收端的時(shí)延差！,階躍型光纖的時(shí)延差為：,材料的折射率隨波長(zhǎng)的變化而變化，因光信號(hào)中各波長(zhǎng)分量的群速度不同而引起的色散稱(chēng)為材料色散(又稱(chēng)為折射率色散)；,光纖的色散就是輸入脈沖在光纖內(nèi)的傳輸過(guò)程中，由于光波的群速度不同而出現(xiàn)的脈沖展寬現(xiàn)象。,由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不同，某一波導(dǎo)模式的傳播常數(shù)隨著信號(hào)角頻率變化而引起的色散稱(chēng)為波導(dǎo)色散(結(jié)構(gòu)色散)；,在多模光纖中

9、由于各個(gè)模式在同一角頻率下的傳播常數(shù)不同，群速度不同而產(chǎn)生的色散稱(chēng)為多模色散(又稱(chēng)為模式色散) 。,光纖色散使傳輸?shù)男盘?hào)脈沖發(fā)生畸變，從而限制了光纖的傳輸帶寬.,2.色散,(1)材料色散,(2)波導(dǎo)色散,(3)多模色散,三種色散的大小順序是:,多模色散,材料色散,波導(dǎo)色散,單模光纖不存在模式色散,但由于它存在兩個(gè)相互垂直的線偏模,因此存在偏振色散,輸入光纖的可能是強(qiáng)度連續(xù)變化的光束,也可能是一組光脈沖,由于光纖色散現(xiàn)象,會(huì)使脈沖展寬,造成信號(hào)畸變,從而限制了光纖的信息容量和品質(zhì)。,設(shè)光源的中心頻率為 ，帶寬為 ，某一模式光的傳播常數(shù)為 ，則總的延遲增量為,式中： ； ，c為真空中的光速。

10、,3.容量,光脈沖的展寬程度可以用延遲時(shí)間來(lái)反映。,光纖的彎曲性與光纖的抗拉強(qiáng)度有很大關(guān)系?？估瓘?qiáng)度大的光纖,不僅強(qiáng)度高,可撓性也好。同時(shí),其環(huán)境適應(yīng)性能也強(qiáng)。,4.抗拉強(qiáng)度,光纖的抗拉強(qiáng)度取決于材料的純度、分子結(jié)構(gòu)狀態(tài)、光纖的粗細(xì)及缺陷等因素。,光纖波導(dǎo)的弱導(dǎo)條件是光纖與微波介質(zhì)圓波導(dǎo)之間的重要差別之一.,,弱導(dǎo)的基本含義：很小的折射率差就可能構(gòu)成良好的光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而且為工藝制造提供了方便。,假設(shè)芯包間的相對(duì)折射率差為：,5.收光本領(lǐng),,光纖的數(shù)值孔徑NA定義為：當(dāng)光從空氣中入射到光纖端面時(shí)的光錐半角之正弦：,光錐的大小是使此角錐內(nèi)所有方位的光線一旦進(jìn)入光纖，就被截留在纖芯中，沿著光纖傳播

11、。,對(duì)于階躍型光纖，其數(shù)值孔徑可表示為,,光纖的集光本領(lǐng)與數(shù)值 孔徑有密切的關(guān)系:,,數(shù)值孔徑只決定于光纖的折射率，與光纖的尺寸無(wú)關(guān),從真空入射時(shí)：,光纖波導(dǎo)的弱導(dǎo)條件,想一想：該公式是怎么得到的？,光纖可以做得很細(xì)使之柔軟、彎曲。當(dāng)光纖的數(shù)值孔徑 最大時(shí)，光纖的集光本領(lǐng)也最大。,數(shù)值孔徑的數(shù)值一般為：0.20-0.25,,,計(jì)算數(shù)值孔徑NA,光纖耦合器是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)分路/合路的功能器件。,光纖弱耦合是通過(guò)光纖的彎曲或使其耦合處成錐狀.于是,纖芯中的部分傳導(dǎo)模變?yōu)榘鼘幽?再由包層進(jìn)入耦合臂中的纖芯,形成傳導(dǎo)模。,把光纖埋入玻璃塊的弧形槽中，將其側(cè)面研磨拋光，使光纖耦合處的包層厚度達(dá)到一定的要求，

12、然后將兩根光纖拼接在一起。,(五)光纖的耦合,光纖的耦合分為強(qiáng)耦合和弱耦合兩種,光纖強(qiáng)耦合是光纖纖芯間形成直通，傳輸模直接進(jìn)人耦合臂,,常用的耦合方式有三種：,拼接型,(2) 將兩根光纖稍加扭絞，用微火炬對(duì)耦合部位進(jìn)行加熱，在熔融過(guò)程中拉伸光纖，最后拉細(xì)成型。,熔融拉錐型,此時(shí),在兩根光纖的耦合部位形成雙錐區(qū),兩根光纖包層合并在一起,纖芯變細(xì)并靠近,形成了一個(gè)新的合成光波通路.根據(jù)靠近程度的不同,可構(gòu)成弱耦合或強(qiáng)耦合。,還可通過(guò)控制扭力或張力，調(diào)節(jié)光纖間距，以達(dá)到調(diào)節(jié)光纖耦合強(qiáng)弱的目的。,(3) 將光纖的局部外套去掉,剝離護(hù)套扭絞,固化,然后進(jìn)行加固。,腐蝕,腐蝕掉光纖耦合部位的大部分包層，并

13、將兩根光纖的纖芯緊緊扭絞在一起；,在檢測(cè)技術(shù)中光纖照明器常制成叉型，又叫做Y形光纖耦合器。合成一端作為探頭，探測(cè)待測(cè)信息；兩枝分束光纖一枝接受光源的光，另一枝輸出返回探頭的光，從而使光電探測(cè)器獲得所需的光信息。,二 光導(dǎo)纖維的應(yīng)用,光導(dǎo)纖維除應(yīng)用于光通信,傳感器外,還可用于導(dǎo) 光和傳像。,（一）光纖在直接導(dǎo)光方面的應(yīng)用,利用光纖柔軟可彎曲的特點(diǎn)，可按需要制成各種 導(dǎo)光器,1.光纖照明器,1) 線狀照明,光源所發(fā)之光經(jīng)透鏡進(jìn)入圓形光纖束的一端，另一端可以排成圓形、方形或三角形等多種形狀，實(shí)現(xiàn)所需形狀的光輸出。,光源所發(fā)的光匯聚進(jìn)入光纖束的一端，另一端按需要由多束光纖輸出，分別照明所需照明的位置。

14、,2) 多路照明,3）檢測(cè)照明,2光纖束行掃描器,條狀光源,待測(cè)物,光電探測(cè)器,轉(zhuǎn)換器,多種光的合成:利用光纖比利用光學(xué)系統(tǒng)方便得多。,3光纖直接導(dǎo)光的應(yīng)用,激光手術(shù)刀:利用光纖束傳輸激光，使激光能量以高入射功率密度(110W)聚焦在人體某部分組織表面上，輻射能被人體組織吸收、升溫、最后氣化而切除。,激光加工、加熱，以及海底供能:采用光纖束傳輸能量是最佳的方案。,直線--圓環(huán)光纖轉(zhuǎn)換器和Z型導(dǎo)光管可以對(duì)移動(dòng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)圖象信號(hào)的采集。,條狀光源照明移動(dòng)的帶狀待測(cè)物的一行,線狀排列的光纖將光源所照明的那一行物體的信息采入，并傳遞到光纖圓環(huán)上。,Z型導(dǎo)光管以輸出光軸為旋轉(zhuǎn)軸掃描圓環(huán)，將圓環(huán)光纖輸出信息

15、按時(shí)序由聚光鏡會(huì)聚于光電探測(cè)器上。光電探測(cè)器輸出的時(shí)序信號(hào)就是對(duì)待測(cè)物的掃描信號(hào)。,利用光纖傳像束可彎曲的特點(diǎn)，可制成各種內(nèi)窺鏡，以實(shí)現(xiàn)對(duì)用一般光學(xué)方法難以觀察到的地方進(jìn)行窺視。醫(yī)用光纖內(nèi)窺鏡主要由光源及傳光部分，成像部分、傳像部分和觀察記錄部分組成。,許多工作場(chǎng)合需要對(duì)多處目標(biāo)進(jìn)行切換觀察，可采用光纖圖像換向系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它由目標(biāo)圖像采集系統(tǒng)、圖像切換系統(tǒng)，以及觀察和記錄系統(tǒng)等組成。,完成傳像功能的光纖制品主要是光纖傳像束和硬性光纖器件(光纖面板、扭像器和光纖錐等)。,(二) 光纖制品在傳像方面的應(yīng)用,1.各種內(nèi)窺鏡,,2.光纖圖像換向器,光纖傳像束,物鏡L,圖像切換系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)棱鏡P及有關(guān)機(jī)構(gòu)

16、組成。棱鏡P按要求轉(zhuǎn)動(dòng)，使待觀察的目標(biāo)像引入棱鏡后或轉(zhuǎn)到觀察系統(tǒng)B供人眼觀看。或轉(zhuǎn)到記錄器A記錄圖像。只需轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡P就可對(duì)N個(gè)目標(biāo)進(jìn)行依次觀察或選擇觀察。,生產(chǎn)OFP的材料主要是稀有金屬、金屬和非金屬的氧化物。芯要選用高折射系數(shù)的原料,如氧化鋇、氧化鋯等;包皮要選用低折射系數(shù)的原料,如:二氧化硅、氧化鉀、氧化鈉、三氧化二鋁等;光吸收層是在包皮玻璃的基礎(chǔ)上再加入著色劑如:氧化鈷、氧化鐵、二氧化錳、氧化鎳等。,光吸收玻璃是一種不透明的黑色玻璃,其作用是將穿透包皮玻璃的雜散光吸收掉,以提高圖像的對(duì)比度及分辨率。,OFP：用多根單光纖經(jīng)熱壓工藝而制成真空氣密性良好的光纖棒，然后進(jìn)行切片、拋光而成的一種

17、可傳遞光學(xué)圖像的光纖器件；是一種板狀傳像元件，其形狀各式各樣:,據(jù)端面的形狀分：雙平面型和平-凹球面型；,平-凹球面型的OFP用于制作準(zhǔn)球?qū)ΨQ(chēng)電子光學(xué)系統(tǒng)的像管,據(jù)傳像性能分為普通OFP、變放大率的錐形OFP和傳遞倒像的扭像器,OFP主要由三種玻璃組成:芯玻璃、包皮玻璃、光吸收玻璃,如前所述,光纖面板屬于工藝性較強(qiáng)的技術(shù)產(chǎn)品。工藝過(guò)程中有許多技術(shù)秘密 , 每種玻璃的配方是生產(chǎn)光纖面板的技術(shù)關(guān)鍵,國(guó)外有不少這方面的專(zhuān)利。國(guó)內(nèi)各廠家對(duì)配料均為保密技術(shù),生產(chǎn)工藝也不盡完全相同。,用光纖面板作為單管的輸入和輸出窗,使級(jí)間直接耦合,會(huì)極大地提高光能的利用率,光纖面板還可校正電子光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的場(chǎng)曲,例如光

18、纖面板平像場(chǎng)器,在真空光電器件和真空攝像器件中，光纖面板主要是用來(lái)充當(dāng)輸入窗口、輸出窗口或管內(nèi)傳像器件。,光纖面板的基本生產(chǎn)過(guò)程和工藝流程為:玻璃的配料 及熔制、拉絲、排板、熱壓、冷加工、檢驗(yàn)。其中化料、 拉絲和熱壓是關(guān)鍵工序。,光學(xué)面板具有傳光效率高，級(jí)間耦合損失小，傳像清晰、真實(shí)，在光學(xué)上具有零厚度等特點(diǎn)。,為了正確傳遞圖像，光纖間必須相關(guān)排列，由棒中切出的每塊面板的輸入與輸出端面空間陣列相對(duì)應(yīng)。,3 光纖面板 OFP(Optic Fiber Plates ),場(chǎng)曲：指整個(gè) 像平面是一個(gè) 曲面,芯玻璃是一種高折射率玻璃,是光的通路;,包皮玻璃為低折射率玻璃,起界面全反射作用;,一代像增強(qiáng)器

19、：輸入和輸出窗均由OFP構(gòu)成；這是利用了OFP之間通過(guò)光學(xué)接觸即可傳像的性能，可直接耦合,OFP使得像增強(qiáng)器獲得的優(yōu)點(diǎn)是：, 增加了傳遞圖像的傳光效率；,提供了采用準(zhǔn)球?qū)ΨQ(chēng)電子光學(xué)系統(tǒng)的可能性，改善了像質(zhì)；,可制成錐形OFP或光纖扭像器。,錐形光纖所組成的OFP稱(chēng)為錐形OFP,具有放大和縮小圖像的作用；錐形OFP傳遞圖像的原理和普通OFP相同，只是圖像傳遞的放大率不為1,,,,若OFP能成倒像這種OFP稱(chēng)之為光纖倒像器；光纖扭像器是將圖像旋轉(zhuǎn)180o后輸出，使倒像轉(zhuǎn)為正像。,光纖倒像器目前主要用來(lái)代替微光夜視儀中的中繼透鏡系統(tǒng)，也被廣泛應(yīng)用于需要倒像的裝置中,通過(guò)倒像器,光錐廣泛應(yīng)用于像增強(qiáng)器

20、耦合以及電視成像和先進(jìn)的光電成像應(yīng)用方面,錐形光纖？,第三環(huán)帶光：是光纖外皮 向內(nèi)芯串光產(chǎn)生的光環(huán),OFP在光纖內(nèi)只傳遞入射角小于孔徑角的光線，大于孔徑角的光線的一部分將要由光纖芯折射到外皮中形成雜散光，從而破壞圖像的傳遞特性,表征光學(xué)元件集光性能的參數(shù)是數(shù)值孔徑,當(dāng)入射面與子午面夾角為時(shí)，數(shù)值孔徑為,OFP的有效傳光效率總是小于1,降低有效傳光效率的因素有,入射到光纖外皮的光全部是無(wú)效的，一般OFP的外皮截面 積占總截面積的比列約為30%；,光線在OFP的的端面上及界面處的反射損失；,光線在光纖之間的串光損失。,串光損失原因：三環(huán)效應(yīng)（出射角最 小的第一環(huán)帶光；出射角相等的第二 環(huán)帶光；出射

21、角最大的第三環(huán)帶光）,第一環(huán)帶光：是光纖內(nèi)芯 向外皮串光產(chǎn)生的光環(huán),第二環(huán)帶光：是光纖內(nèi)芯經(jīng) 全反射產(chǎn)生的光環(huán)；也有入 射到光纖外皮又由外皮出射 的光,也叫探針型光纖傳感器。典型的例子有光纖激光多普勒速度傳感器、光纖輻射溫度傳感器和光纖液位傳感器等,光纖傳感器：可作為加速度、角加速度、速度、角速度、位移、角位移、壓力、彎曲、應(yīng)變、轉(zhuǎn)矩、溫度、電壓、電流、液位、流量，流速、濃度、pH值、磁場(chǎng)、聲強(qiáng)、光強(qiáng)、射線等70多個(gè)物理量的傳感器。但實(shí)用的還很少，是一個(gè)發(fā)展?jié)摿O大的領(lǐng)域。,三 光纖傳感器的分類(lèi)及構(gòu)成,（一）光纖傳感器分類(lèi),,傳感型(功能型)光纖本身 既是傳輸介質(zhì)又是敏感元件,這種非功能型光纖

22、傳感器,不需要外加敏感元件,光纖把測(cè)量對(duì)象所輻射、反射的光信號(hào)傳輸?shù)焦怆娫?非功能型光纖只是信息傳輸介質(zhì)，而敏感元件（或沒(méi)有敏感元件）要采用其它元件,特點(diǎn):非接觸式測(cè)量，精度較高,非功能型光纖傳感器的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，技術(shù)上易實(shí)現(xiàn)。但其靈敏度、測(cè)量精度一般低于功能型光纖傳感器。,功能型傳感器的特點(diǎn):具有很高的靈敏度。尤其是利用各種干涉技術(shù)對(duì)光的相位變化進(jìn)行測(cè)量的光纖傳感器，具有極高的靈敏度。,功能型傳感器的缺點(diǎn)是：技術(shù)難度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整較困難。,功能型光纖傳感器,利用光纖本身的特性受被測(cè)物理量的作用而發(fā)生變化,使光纖中光的屬性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng))被調(diào)制這一特點(diǎn)而構(gòu)成的一類(lèi)傳感

23、器。,泡克耳效應(yīng),法拉第效應(yīng),微彎效應(yīng),（二）光纖傳感器的基本構(gòu)成,光纖傳感器的基本組成光纖、光源和光電探測(cè)器,1.光源,白熾燈、激光二極管（LD）和發(fā)光二極管(LED)等,0.80.9,選擇光源時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的用途和所用光纖的類(lèi)型，對(duì)光源還要提出功率和調(diào)制的要求,0.31.1,2.光電元件,激光二極管具有亮度高易于進(jìn)行上吉赫的直接調(diào)制、尺寸小等優(yōu)點(diǎn),2）光纖傳感器的幾何形狀適應(yīng)性強(qiáng)。由于光纖所具有的柔性，使用及放置均較為方便。,8）光纖傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)在于它們探測(cè)信息的靈敏度很高。,3）光纖傳感器的傳輸頻帶寬，帶寬與距離之積可達(dá)30MHZkm-10GHZkm之多。,5）光纖傳感器通常既是信息探

24、測(cè)器件，又是信息傳遞器件。,4）光纖傳感器無(wú)可動(dòng)部分、無(wú)電源，可視為無(wú)源系統(tǒng)，因此使用安全，特別是在易燃易爆的場(chǎng)合更為適用。,6）光纖傳感器的材料決定了它有強(qiáng)的耐水性和強(qiáng)的抗腐蝕性。,7）由于光纖傳感器體積小，因此對(duì)測(cè)量場(chǎng)的分布特性影響較小。,1）光纖傳感器的電絕緣性能好,表面耐壓可達(dá)4kV/cm，且不受周?chē)姶艌?chǎng)的干擾。,（三）光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn),與電量傳感器相比較，光纖傳感器有許多優(yōu)點(diǎn)：,這些優(yōu)點(diǎn)要理解,要記住,要會(huì)用,光的頻率約為1014Hz,光電探測(cè)器不能跟蹤以這樣高的頻率變化的瞬時(shí)值,因此,光波的相位變化是不能夠直接被檢測(cè)到的。為此,應(yīng)用干涉技術(shù)將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換成振幅(強(qiáng)度)調(diào)制。,光纖

25、傳感器常采用馬赫澤德(Mach-Zehnder)干涉儀等干涉測(cè)量?jī)x。,光纖軸向應(yīng)變,長(zhǎng)為L(zhǎng),纖芯折射率為n1的單模光纖中,波長(zhǎng)為 的輸出光相對(duì)輸入端來(lái)說(shuō),相角為,波長(zhǎng)為的相干光在光纖中傳播時(shí)，光波的相位 角與光纖的長(zhǎng)度L、纖芯折射率n1和纖芯直徑d有關(guān)。 光纖受到物理量的作用時(shí)，這三個(gè)參數(shù)就會(huì)發(fā)生不同程 度的變化，從而引起光的相位角的變化。,（四）功能型光纖傳感器,（一）相位調(diào)制型光纖傳感器,1.相位調(diào)制原理,,,,應(yīng)用光的相位檢測(cè)技術(shù)可以測(cè)量溫度、壓力、加速度、電流等物理量。,當(dāng)光纖受到物理量的作用時(shí),相位角變化量,從而使合成光強(qiáng)的強(qiáng)弱隨著相位的變化而變化。,激光器發(fā)出光被分束器分成兩束，分

26、別耦合到傳感光纖和參考光纖中。,傳感光纖置于被測(cè)對(duì)象的環(huán)境中感受壓力(或溫度)信號(hào);參考光纖不感受被測(cè)物理量。這兩根單模光纖構(gòu)成干涉儀的兩個(gè)臂,再通過(guò)光纖耦合器組合起來(lái),以便產(chǎn)生相互干涉,形成一系列干涉條紋。,當(dāng)傳感光纖感受到溫度變化時(shí),光纖的折射率會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)光纖的熱脹冷縮使其長(zhǎng)度發(fā)生改變。,通過(guò)光電探測(cè)器，就可以將合成光強(qiáng)的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的大小變化?,利用馬赫-澤德干涉儀測(cè)量壓力或溫度的相位調(diào)制型光纖傳感器組成原理圖,2.相位調(diào)制型光纖壓力和溫度傳感器,長(zhǎng)度和折射率的變化,將會(huì)引起相位角變化。這樣,傳感光纖和參考光纖的兩束輸出光的相位也發(fā)生了變化,?,把光電探測(cè)器的光敏面放在干涉

27、場(chǎng)中,干涉場(chǎng)光強(qiáng)將轉(zhuǎn)換為光電流輸出,光電流的交流量為?,由圖可見(jiàn),26時(shí)兩光纖中的光同相,輸出光電流最大。隨著T的上升,相位增加光電流逐漸咸小。T為26.03相移 弧度,光電流達(dá)到最小值。T上升到26.06相移增加到2 弧度,光電流又上升到最大值。這樣,光的相位調(diào)制便轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)的幅值調(diào)制。,當(dāng)活動(dòng)板受到微擾作用時(shí)，光纖就會(huì)發(fā)生微小彎曲，使光在纖芯中重新分配：一部分光從纖芯進(jìn)入包層；另一部分光反射回纖芯。,當(dāng)活動(dòng)板的位移或壓力增加時(shí)：泄漏到包層的散射光隨之增大,光纖芯模的輸出光強(qiáng)度就減小，通過(guò)檢測(cè)光纖輸出光的強(qiáng)度就能測(cè)出位移(或壓力)信號(hào)。,基本原理：光纖微彎產(chǎn)生的彎曲損耗。這類(lèi)傳感器常用多

28、模光纖制作。,光纖微彎傳感器的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：傳輸光束基本上束縛在光纖內(nèi)部，適合在比較惡劣的環(huán)境中使用。,,(二)光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器,傳感器還具有：分辨率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)范圍寬、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)?？梢詸z測(cè)到100Pa的壓力變化,光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器的典型例子：光纖微彎位移和壓力傳感器。,光纖微彎傳感器由兩塊波形板（變形器）構(gòu)成：一塊固定，另一塊可以活動(dòng)。光纖從一對(duì)波形板之間通過(guò)。,受磁場(chǎng)作用后的光束經(jīng)物鏡耦合到偏振棱鏡，分解成振動(dòng)方向相互垂直的兩束偏振光，分別進(jìn)入兩個(gè)光探測(cè)器，再經(jīng)信號(hào)處理后輸出信號(hào)：,當(dāng)通過(guò)的電流為I時(shí)， 由此產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度H為:,根據(jù)法拉第旋光效應(yīng)：由電流所形成的磁場(chǎng)會(huì)引起

29、光纖中線偏振光的偏轉(zhuǎn)。檢測(cè)偏轉(zhuǎn)角的大小，就可得到相應(yīng)的電流值,只要系統(tǒng)的V和N一經(jīng)確定，就可通過(guò)輸出信號(hào)P的大小，獲得被測(cè)輸電線上的電流值。,傳感器適用于高壓輸電線大電流的測(cè)量，測(cè)量范圍為01000A,,由法拉第旋光效應(yīng)引起的光纖中線偏振光的偏轉(zhuǎn)角為,(三) 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器,偏振態(tài)調(diào)制型光纖電流傳感器原理圖:,,這公式怎么來(lái)的?,渥拉斯頓棱鏡前偏振光的方向?yàn)镋0,光纖是單模光纖,從圖可以看出該傳感器主要由哪些器件組成?,,,渥拉斯頓棱鏡放置：e光或者o光的振動(dòng)方向與起偏器軸的方向成45。,下面求偏振度P？,想一想:渥拉斯頓棱鏡原理?,由右上圖可以看出，半導(dǎo)體對(duì)光的吸收隨長(zhǎng)波限的變短而急

30、劇增加(在T一定時(shí))，即透過(guò)率急劇下降，那么在光源一定的情況下，通過(guò)半導(dǎo)體的透射光強(qiáng)隨溫度T的增加而減小。,五 非功能型光纖傳感器,（一）傳輸光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器,傳感器光源的光譜應(yīng)與半導(dǎo)體的吸收光譜互相匹配。該系統(tǒng)的溫度測(cè)量范圍為-20300。精確度約為3。響應(yīng)時(shí)間常數(shù)約2s，能在強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境中工作。,傳感器的關(guān)鍵部件是半導(dǎo)體光吸收片，它的本征吸收長(zhǎng)波限隨溫度增加而向長(zhǎng)波長(zhǎng)的方向位移。,傳輸光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器：是在輸入光纖與輸出光纖之間放置有機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件。,敏感元件在物理量的作用下對(duì)傳輸?shù)墓鈴?qiáng)進(jìn)行調(diào)制，如吸收光的能量、遮斷光路、改變光纖之間的相對(duì)位置等。,系統(tǒng)由光源、壓力膜片、光

31、敏二極管、Y形光纖束和放大器等組成。壓力膜片感受平均壓力和脈動(dòng)壓力以及反射光；膜片的內(nèi)表面拋光后鍍一層反射膜，以提高反射率。,Y形光纖束約由3000根直徑為50微米的階躍型光纖(NA=0.603)集束而成。它被分成纖維數(shù)目大致相等、長(zhǎng)度相同的兩束：發(fā)送光纖束和接收光纖束。為了補(bǔ)償光源光功率的波動(dòng)以及減少光敏二極管的噪聲，系統(tǒng)增加了一根補(bǔ)償光纖束。,(二)反射光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器,,系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：頻響范圍寬;脈動(dòng)壓力的頻率在018kHz的范圍內(nèi)變化;靈敏度高,輸出幅度大,放大后的輸出信號(hào)可達(dá)幾伏;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn)。,由膜片的撓度理論知，周邊固定的圓形平膜片，其中心位移與壓力成正比。當(dāng)壓力變化時(shí)，

32、膜片與光纖端面之間的距離將線性變化。因此，光纖接收的反射光強(qiáng)度也將線性變化。,是光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器，是一個(gè)反射光強(qiáng)調(diào)制型的光纖傳感器。,如右圖所示，發(fā)射機(jī)發(fā)射出的電磁波向被測(cè)物體傳輸，以速度V向發(fā)射機(jī)運(yùn)動(dòng)的被測(cè)物體接收到的信號(hào)頻率為,當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處于同一地點(diǎn)且無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而被測(cè)物體以速度V相對(duì)于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以把被測(cè)物體對(duì)信號(hào)的反射看成是又一個(gè)運(yùn)動(dòng)的發(fā)射機(jī)在發(fā)射信號(hào)。這樣，接收機(jī)和被測(cè)物體之間因有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就產(chǎn)生了多普勒效應(yīng)。,假若發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的位置在不斷變化，則接收機(jī)收到的信號(hào)與發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)頻率就不同，這一現(xiàn)象為多普勒效應(yīng)。,（三）頻率調(diào)制型光纖傳感器,頻率調(diào)制型光纖

33、傳感器，原理是光學(xué)多普勒效應(yīng)?,,,,由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻率之差稱(chēng)為多普勒頻率,若把 看成新的發(fā)射機(jī)向與發(fā)射機(jī)同地點(diǎn)的接收機(jī)發(fā)射的信號(hào)，如右圖所示，則接收機(jī)接收到的信號(hào)頻率為：,當(dāng)激光沿著光纖投射到運(yùn)動(dòng)物體A上時(shí)，被物體A反射的光與光纖端面的反射光(起參考光作用)一起沿著光纖返回。,光學(xué)多普勒效應(yīng),那么從S射出的頻率為 的光，經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)物體P散射，觀察者在Q處觀察到的頻率為 。根據(jù)多普勒原理可得,這樣，頻率不同的信號(hào)光與參考光共同作用在光電探測(cè)器上，產(chǎn)生差拍。,知道了發(fā)射頻率和接收頻率，從它們之差就可以求得物體的運(yùn)動(dòng)速度。,下圖是一個(gè)典型的激光多普勒光纖測(cè)速系統(tǒng),形成的光電流經(jīng)頻譜分析儀求出頻率

34、的變化，進(jìn)一步可算出物體的運(yùn)動(dòng)速度 。,S為光源, P為運(yùn)動(dòng)物體,Q是觀察者所處的位置。如果物體P的運(yùn)動(dòng)速度為V, P的運(yùn)動(dòng)方向與PS的夾角為1，P的運(yùn)動(dòng)方向與PQ的夾角為2 。,測(cè)試液體折射率的光纖傳感裝置原理示意圖,組成：,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：有一個(gè)光纖分路器,工作原理：？,強(qiáng)調(diào)：光纖液體折射率傳感器不能在線探測(cè)會(huì)粘附在測(cè)頭表面的污濁、粘稠、具有腐蝕的和懸浮溶液的濃度。,作業(yè)：P211: 9-1,9-2,9-4,9-5,9-7,(四) 強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器,2) .渥拉斯頓(Wollaston)棱鏡,組成:,渥拉斯頓棱鏡是一種由天然方解石晶體制成的雙折 射偏光器件，主要成分為CaCO3的結(jié)晶。,結(jié)構(gòu)

35、:,工作原理:,對(duì)于方解石棱鏡，角一般為1040。,,材料：方解石透明單軸晶體制作,工作原理,為了保護(hù)晶體和方便使用，方解石晶體被組裝在一個(gè)表面作了黑色處理的銅質(zhì)圓筒內(nèi),渥拉斯頓棱鏡是加大了兩種線偏振光的離散角，且同時(shí)出射兩束線偏振光的雙像棱鏡；方解石晶體非常軟，很容易受傷，在使用時(shí)要小心。,分離角隨入射光波長(zhǎng)的不同稍有變化；,舉例:在=0.5m時(shí)，no=l.6666，ne=1.4900， 若=45，則=2040。,兩塊直角棱鏡的光軸相互垂直,返回,進(jìn)入第2塊棱鏡瞬間：光軸方向旋轉(zhuǎn)90,最終結(jié)果：兩束光在射出棱鏡時(shí)，它們對(duì)稱(chēng)地再分開(kāi)一個(gè)角度，此角的大小與棱鏡的材料及底角有關(guān)。,正入射的平行光束在第1塊棱鏡內(nèi)：垂直光軸傳播，o光、e光行為：相同方向、不同的相速度,返回,,結(jié)果：第1塊棱鏡中的o光在第2塊中變?yōu)閑光，且由于方解石為負(fù)單軸晶體(ne