上 一 頁 下 一 頁返 回 9.1 光 纖 傳 感 器 基 礎9.2 光 調(diào) 制 與 解 調(diào) 技 術(shù)9.3 光 纖 傳 感 器 實 例 l 光 纖 波 導 簡 稱 光 纖 ， 是 用 透 光 率 高 的 電 介 質(zhì) (石 英 、玻 璃 、 塑 料 等 )構(gòu) 成 的 光 通 路 。l 由 圓 柱 形 內(nèi) 芯 和 包 層 組 成 ， 而 且 內(nèi) 芯 的 折 射 率 n1略 大 于 包 層 的 折 射 率 n2。l 通 常 直 徑 為 幾 微 米 到 幾 百 微 米9.1.1 光 纖 波 導 原 理 纖 芯 包 層 涂 覆 層 護 套 當 一 束 光 線 以 一 定 的 入 射 角 1從 介 質(zhì) 1射 到 與 介質(zhì) 2的 分 界 面 上 時 ， 一 部 分 能 量 反 射 回 原 介 質(zhì) ； 另 一部 分 能 量 則 透 過 分 界 面 ， 在 另 一 介 質(zhì) 內(nèi) 繼 續(xù) 傳 播 。 斯 乃 爾 定 理當 光 由 光 密 物 質(zhì) 出 射 至 光 疏 物 質(zhì) 時 ， 發(fā) 生 折 射 （ a） 折 射 角 r大 于 入 射 角 i：（ b） 臨 界 狀 態(tài) 入 射 角 i0 ： （ c） 全 反 射 ： ri nn sinsin 21 )/arcsin( 120 nni 0ii 上 一 頁 下 一 頁返 回 ji nn sinsin 10 rk nn sinsin 21 上 一 頁 下 一 頁返 回 kj 90 kkki nnnnnn 2010101 sin1cos)90sin()/(sin ji nn sin)/(sin 01 rri sinnnn )sinnn(nnsin 222210 212011 1 n0為 入 射 光 AB所 在 空 間 的 折 射 率 ， 一 般 為 空 氣 n01， 則 ：ri nn 22221 sinsin 上 一 頁 下 一 頁返 回 22210sin nni 當 r =90 的 臨 界 狀 態(tài) 時 ， 對 應 的 入 射 角 為 ： Sin i0定 義 為 “ 數(shù) 值 孔 徑 ” NA（ Numerical Aperture） NAnNA ii arcsin2sin 00 1 121 /)( nnn 相 對 折 射 率 差 arcsinNA是 一 個 臨 界 角 ，i arcsinNA時 ， 光 線 進 入 光 纖 后 在 包 層 消 失 ；i arcsinNA時 ， 光 線 進 入 光 纖 后 才 可 以 被 全 反 射 傳 播 。 上 一 頁 下 一 頁返 回其 中 ： 光 的 全 反 射 實 驗 l NA反 映 纖 芯 接 收 光 量 的 多 少 ， 標 志 光 纖 集 光 性 能 。l 意 義 ： 無 論 光 源 發(fā) 射 功 率 有 多 大 ， 只 有 2i0張 角 之內(nèi) 的 光 功 率 能 被 光 纖 接 受 傳 播 。大 的 數(shù) 值 孔 徑 ： 光 纖 的 集 光 性 能 強 。但 數(shù) 值 孔 徑 太 大 ， 光 信 號 畸 變 也 越 嚴 重 。22210sin nnNA i 上 一 頁 下 一 頁返 回 光 纖 按 折 射 率 變 化 類 型 分 類按 纖 芯 到 包 層 折 射 率 變 化 ： 階 躍 折 射 率 光 纖 漸 變 折 射 率 光 纖 l 光 纖 模 式 :光 波 沿 光 導 纖 維 傳 播 的 途 徑 和 方 式 。l 以 不 同 角 度 入 射 的 光 線 在 (n1和 n2)界 面 上 的 反 射 次數(shù) 是 不 同 的 。l 光 纖 傳 輸 的 光 波 ， 可 以 分 解 為 沿 縱 軸 向 傳 播 和 沿橫 切 向 傳 播 的 兩 種 平 面 波 成 分 。 后 者 在 纖 芯 和 包層 的 界 面 上 會 產(chǎn) 生 全 反 射 。 當 它 在 橫 向 往 返 一 次的 相 位 變 化 為 2的 整 數(shù) 倍 時 ， 將 形 成 駐 波 。 形 成駐 波 的 光 線 組 稱 為 模 。在 光 導 纖 維 中 傳 播 模 式 很 多 對 信 息 的 傳 輸 是 不 利的 ， 導 致 合 成 信 號 的 畸 變 ， 因 此 我 們 希 望 模 式 數(shù)量 較 少 為 好 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 單 模 光 纖 ： V2.405 普 通 單 模 光 纖 ： n1-n2/n1310-3 r=24m多 模 光 纖 ： r=2560m 包 層 半 徑 b125 m光 纖 傳 輸 模 的 總 數(shù) : 漸 變 型階 躍 型4222 NN /2 NAr r為 光 纖 半 徑 ， 為 光 波 波 長 。 希 望 小 則 r不 能 太 大 ， 且 n2與 n1之 差 要 小 光 纖 內(nèi) 光 傳 播 的 模 式 數(shù) 量 用 歸 一 化 頻 率 表 示 為 l 損 耗 原 因 ： 光 纖 纖 芯 材 料 的 吸 收 、 散 射 ， 光 纖 彎 曲處 的 輻 射 損 耗 等 的 影 響 。 0lg10 PPLa i 傳 播 損 耗 （ 單 位 為 dB/km） 式 中 , L 光 纖 長 度 (km)； P0光 纖 輸 出 端 光 強 ； Pi光 纖 輸 入 端 光 強 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 2. 色 散 色 散 就 是 輸 入 脈 沖 在 光 纖 中 傳 輸 過 程 時 ， 由 于 光波 的 群 速 度 不 同 而 出 現(xiàn) 的 脈 沖 展 寬 現(xiàn) 象 。 它 使 信 號 脈 沖 畸 變 。 限 制 了 光 纖 的 傳 輸 帶 寬 。(1)材 料 色 散 ： 同 一 材 料 的 折 射 率 隨 光 波 長 的 變 化 而 變化 ， 這 是 光 信 號 中 各 波 長 分 量 的 光 的 群 速 度 不 同 而 引起 的 色 散 ；(2)波 導 色 散 ： 由 于 波 導 材 料 的 結(jié) 構(gòu) 不 同 ， 某 一 波 導 模式 的 傳 播 常 數(shù) 隨 著 信 號 角 頻 率 的 變 化 而 引 起 的 色 散 ，也 稱 結(jié) 構(gòu) 色 散(3)多 模 色 散 ： 在 多 模 光 纖 中 ， 由 于 各 個 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 。傳 輸 距 離 越 長 ， 色 散 現(xiàn) 象 越 嚴 重 。 022 n傳 播 常 數(shù) ： 光 纖 傳 感 器 是 通 過 對 光 纖 內(nèi) 傳 輸 的 光 進 行 調(diào) 制 ，使 傳 輸 光 的 強 度 、 相 位 、 頻 率 或 偏 振 等 特 性 發(fā) 生 變 化， 再 通 過 對 被 調(diào) 制 的 光 信 號 進 行 檢 測 ， 從 而 得 出 相 應被 測 量 的 傳 感 器 。光 纖 傳 感 器 一 般 可 分 為 兩 大 類 ： 功 能 型 FF和 非 功 能 型NF 功 能 型 FF:利 用 光 纖 本 身 的 特 性 ， 把 光 纖 作 為 敏 感元 件 。 所 以 也 稱 傳 感 型 光 纖 傳 感 器 ， 或 全 光 纖 傳 感 器。 非 功 能 型 ： 利 用 其 他 敏 感 元 件 感 受 被 測 量 的 變 化， 光 纖 僅 做 為 光 的 傳 輸 介 質(zhì) 。 所 以 也 稱 為 傳 光 型 傳 感器 或 混 合 型 傳 感 器 。 a類 ： 功 能 型FFb類 ： 非 功 能型 NFC類 ： 拾 光 型NF 上 一 頁 下 一 頁返 回 l 光 纖 在 其 中 不 僅 是 導 光 媒 質(zhì) ， 而 且 也 是敏 感 元 件 ， 光 在 光 纖 內(nèi) 受 被 測 量 調(diào) 制 。優(yōu) 點 ： 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 、 靈 敏 度 高 。缺 點 ： 須 用 特 殊 光 纖 ， 成 本 高 ，典 型 例 子 ： 光 纖 陀 螺 、 光 纖 水 聽 器 等 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 l 光 纖 在 其 中 僅 起 導 光 作 用 ， 光 照 在 非 光 纖 型 敏感 元 件 上 受 被 測 量 調(diào) 制 。優(yōu) 點 ： 無 需 特 殊 光 纖 及 其 他 特 殊 技 術(shù) ， 比 較 容 易 實 現(xiàn) ， 成 本 低 。缺 點 ： 靈 敏 度 較 低 。實 用 化 的 大 都 是 非 功 能 型 的 光 纖 傳 感 器 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 用 光 纖 作 為 探 頭 ， 接 收 由 被 測 對 象 輻 射 的光 或 被 其 反 射 、 散 射 的 光 。 典 型 例 子 ：光 纖 激 光 多 普 勒 速 度 計輻 射 式 光 纖 溫 度 傳 感 器 上 一 頁 下 一 頁返 回 9.2 光 調(diào) 制 與 解 調(diào) 技 術(shù)光 就 是 一 種 橫 波 ， 光 的 電 矢 量 E )sin( tBE可 以 用 被 測 量 調(diào) 制 光 的 不 同 參 數(shù) ， 例 如 ：光 的 強 度 調(diào) 制 、 偏 振 調(diào) 制 、 頻 率 調(diào) 制 或 相 位 調(diào) 制 上 一 頁 下 一 頁返 回 利 用 被 測 對 象 引 起 載 波 光 強 度 變 化 ， 從 而 實 現(xiàn) 對 被測 對 象 進 行 檢 測 的 方 式 。 光 強 度 變 化 可 以 直 接 用 光電 探 測 器 進 行 檢 測 ，優(yōu) 點 : 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 容 易 實 現(xiàn) 、 成 本 低 。缺 點 : 易 受 光 源 波 動 和 連 接 器 損 耗 變 化 等 的 影 響 上 一 頁 下 一 頁返 回 1、 微 彎 損 耗 光 纖 傳 感 器 基 于 微 彎 損 耗 機 理 的 強 度 調(diào) 制 型 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu)如 圖 所 示 。 由 光 纖 中 光 功 率 的 數(shù) 值 可 得 到 諸 如 壓 力 、位 移 等 被 測 量 的 大 小 。光 輸 入 光 輸 出變 形 器光 纖 L微 彎 損 耗 光 纖 傳 感 器 原 理 時 ， 微 彎 效 應 最 明 顯當 取 2 = 1- 2 ， 其 中 1和 2分 別 為 纖 芯 傳 輸 模 的 傳輸 常 數(shù) 和 包 層 輻 射 模 的 傳 輸 常 數(shù) 。 漸 變 型 光 纖 中 ： 階 躍 型 光 纖 中 ： r 2 r 2 2. 光 強 度 的 外 調(diào) 制遮 斷 型發(fā) 送 光 纖 接 收 光 纖反 射 型接 收 光 纖發(fā) 送 光 纖 光 纖探 頭 發(fā) 射 光 纖 與 接 收 光 纖 的 四 種 分 布 l 利 用 光 的 偏 振 態(tài) 的 變 化 來 傳 遞 被 測 對 象 信 息l 應 用 ： 電 流 、 磁 場 傳 感 器 ： 法 拉 第 效 應 ； 電 場 、 電 壓 傳 感 器 ： 泡 爾 效 應 ； 壓 力 、 振 動 或 聲 傳 感 器 ： 光 彈 效 應 ； 溫 度 、 壓 力 、 振 動 傳 感 器 ： 雙 折 射 性l 優(yōu) 點 ： 可 避 免 光 源 強 度 變 化 的 影 響 ， 靈 敏 度 高 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 被 測 對 象 導 致 光 的 相 位 變 化 ， 然 后 用 干 涉 儀 來 檢 測 這種 相 位 變 化 而 得 到 被 測 對 象 的 信 息 。利 用 光 彈 效 應 的 聲 、 壓 力 或 振 動 傳 感 器 ；利 用 磁 致 伸 縮 效 應 的 電 流 、 磁 場 傳 感 器 ；利 用 電 致 伸 縮 的 電 場 、 電 壓 傳 感 器 利 用 Sagnac效 應 的 旋 轉(zhuǎn) 角 速 度 傳 感 器 （ 光 纖 陀 螺 ）優(yōu) 點 ： 靈 敏 度 很 高 ，缺 點 ： 特 殊 光 纖 及 高 精 度 檢 測 系 統(tǒng) ， 成 本 高 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 1.邁 克 爾 遜 干 涉 儀 ： 兩 相 干 光 的 光 程 差光 在 空 氣 中 的 傳 播 常 數(shù)lK lK 2 : 20 0 2.馬 赫 澤 德 爾 干 涉 儀 3. 塞 格 納 克 干 涉 儀 為 真 空 中 光 波 長為 真 空 中 光 速 ；為 光 路 圍 成 的 面 積 ；為 旋 轉(zhuǎn) 率 ； 0082 cAcA 4.法 布 里 -泊 羅 干 涉 儀 為 相 鄰 光 束 間 的 相 位 差為 反 射 鏡 的 反 射 率 ； R RRII 2sin1 41 220 l 被 測 對 象 引 起 的 光 頻 率 的 變 化 來 進 行 監(jiān) 測l 利 用 運 動 物 體 反 射 光 和 散 射 光 的 多 普 勒 效 應 的 光纖 速 度 、 流 速 、 振 動 、 壓 力 、 加 速 度 傳 感 器 ；利 用 物 質(zhì) 受 強 光 照 射 時 的 喇 曼 散 射 構(gòu) 成 的 測 量 氣體 濃 度 或 監(jiān) 測 大 氣 污 染 的 氣 體 傳 感 器 等 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 2112 coscos1 cvff 上 一 頁 下 一 頁返 回 靈 敏 度 高 、 電 絕 緣 性 能 好 、 抗 電 磁 干 擾 、 可 橈 性 、可 實 現(xiàn) 不 帶 電 的 全 光 型 探 頭 頻 帶 寬 動 態(tài) 范 圍 大 可 用 很 相 近 的 技 術(shù) 基 礎 構(gòu) 成 測 不 同 物 理 量 的 傳 感 器 便 于 與 計 算 機 和 光 纖 傳 輸 系 統(tǒng) 相 連 ， 易 于 實 現(xiàn) 系統(tǒng) 的 遙 測 和 控 制 可 用 于 高 溫 、 高 壓 、 強 電 磁 干 擾 、 腐 蝕 等 惡 劣 環(huán) 境 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 體 積 小 、 重 量 輕 、 耗 能 少應 用 ： 磁 、 聲 、 壓 力 、 溫 度 、 加 速 度 、 陀 螺 、 位 移 、液 面 、 轉(zhuǎn) 矩 、 光 聲 、 電 流 和 應 變 等 物 理 量 的 測 量 。 階 躍 型 ： 光 纖 纖 芯 的 折 射 率 分 布 各 點均 勻 一 致 ， 稱 為 多 模 光 纖 。 單 孔 型 光 纖 的 纖 芯 直 徑 較 小 （ 數(shù) 微 米 ） 接 近于 被 傳 輸 光 波 的 波 長 ， 光 以 電 磁 場 “ 模 ” 的 原 理在 纖 芯 中 傳 導 ， 能 量 損 失 很 小 ， 適 宜 于 遠 距 離 傳輸 。 實 現(xiàn) 電 光 轉(zhuǎn) 換 的 元 件 通 常 是 發(fā) 光二 極 管 或 激 光 二 極 管 。 激 光 二 極 管 芯 片 單 模 光 纖必 須 采 用 能 發(fā)射 單 一 光 譜 的激 光 二 極 管 ，它 在 傳 導 過 程中 的 發(fā) 散 損 耗較 小 ， 穩(wěn) 定 性較 高 。 光 纖 在 傳 輸信 號 的 過 程 中 損耗 應 盡 量 小 且 穩(wěn)定 。 在 某 些 波 長上 ， 光 纖 的 損 耗非 常 小 。 可 選 擇適 當 波 長 的 電 光轉(zhuǎn) 換 元 件 與 之 匹配 。 光 纖 與 電 光 轉(zhuǎn) 換 元 件 耦 合 時 ， 兩 者 的軸 心 必 須 嚴 格 對 準 并 固 定 ， 可 使 用 專 用 的連 接 頭 及 光 纖 插 座 來 完 成 。 標 志 孔 電 路 板 標 志 檢 測 當 光 纖 發(fā) 出的 光 穿 過 標 志 孔時 ， 若 無 反 射 ，說 明 電 路 板 方 向放 置 正 確 。 光 纖 耦 合 器 傳 輸 光 纖出 射 光 纖 遮 斷 型 光 纖光 電 開 關(guān)出 射 光 纖 接 收 光 纖 采 用 遮斷 型 光 纖 光電 開 關(guān) 對 IC 芯 片 引 腳 進行 檢 測 軍 用 光 纖 陀 螺 ： 將 激 光 射 入 繞 成 線 圈的 光 纖 ， 當 線 圈 的 底 座 隨運 動 物 體 旋 轉(zhuǎn) 時 ， 可 以 測得 出 射 光 的 相 位 發(fā) 生 變 化 ，它 的 靈 敏 度 比 機 械 陀 螺 高 ，無 機 械 磨 擦 力 。 光 纖 內(nèi) 窺 鏡