光纤检测及应用课件.ppt

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1、第七章光纤检测技及应用背景介绍光纤传感器(FOSFiberOpticalSensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒媒介。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。经过20余年的研究，光纤传感器取得了十分重要的进展，目前正进入研究和实用并存的阶段。它对军事、航天航空技术和生命科学等的发展起着十分重要的作用。随着新兴学科的交叉渗透，它将会出现更广阔的

2、应用前景。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量主要优点：灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可靠性强、可实现不带电的全光型探头。频带宽、动态范围大。可用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测和控制。可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境。结构简单、体积小、重量轻、耗能少。一光纤的基础知识光纤就是光导纤维的简称，是用光透射率高的电介质（如石英、玻璃、塑料等）构成的光通路，它是一种介质圆柱

3、光波导。所谓光波导是指将以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束引导光波在光纤内部或表面附近沿轴线方向传播。1.1基础一次涂覆层纤芯包层套层一次涂覆层包层纤芯套层1.2光纤波导的结构多层介质结构：1、纤芯：石英玻璃，直径5-75um，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素。2、包层：直径100-200um，折射率略低于纤芯。3、涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。4、尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。石英系列光纤（以SiO2为主要材料）按光纤组成材料划分多成分玻璃光纤（材料由多成分玻璃组成

4、）液芯光纤（纤芯呈液态）塑料光纤（以塑料为材料）阶跃型光纤（单包层，折射率均布）（SIF）按光纤纤芯折射率分布划分渐变型光纤（单包层，折射率渐变）（GIF）W型光纤（双包层，折射率均布）单模光纤（SMF）按光纤传输模式数划分多模光纤（MMF）1.3光纤的分类光纤的纤芯折射率剖面分布2b2b2b2c2a2a2annnn1n1n1n2n2n2n30abr0abr0acbr（a）阶跃光纤（b）渐变光纤（c）W型光纤光纤的类型阶跃型多模光纤阶跃型多模光纤1.5光纤的损耗损耗散射损耗制作缺陷折射率分布不均匀芯-涂

5、层界面不理想气泡、条纹、结石本征散射及其他瑞利散射布里渊散射拉曼散射吸收损耗本征吸收紫外吸收红外吸收杂质离子的吸收过渡族金属离子OH-离子其他损耗1.5.1光纤的损耗特性损耗的定义当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数α表示：损耗的种类吸收损耗：来源于光纤物质和杂质的吸收作用；散射损耗：光纤材料的不均匀性和尺寸缺陷，如瑞利散射；其他损耗：如光纤弯曲也引起散射损耗。1.5.2光纤的色散特性色散的定义色散的种类光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随

6、传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。色散的大小常用时延差表示，时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的时间差。模式色散：模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下传播速度不同，使传播时延不同而产生的色散。只有多模光纤才存在模式色散，它主要取决于光纤的折射率分布。材料色散：材料色散是由于光纤的折射率随波长变化而使模式内不同波长的光时间延迟不同产生的色散。取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。波导色散：波

7、导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的色散。取决于波导尺寸和纤芯包层的相对折射率差。波导色散和材料色散都是模式的本身色散，也称模内色散。对于多模光纤，既有模式色散，又有模内色散，但主要以模式色散为主。梯度型光纤中模式色散大为减少。而单模光纤不存在模式色散，只有材料色散和波导色散，由于波导色散比材料色散小很多，通常可以忽略。采用激光光源可有效减小材料色散的影响。1.5光纤的耦合光纤的耦合分为强耦合和弱耦合。光纤的强耦合是光纤纤芯间形成直通，传输模直接进入耦合臂。光纤的弱耦合是通过光纤的弯曲，或使其耦合

8、处成锥状。于是，纤芯中的部分传导模变为包层模，再由包层进入耦合臂中的纤芯，形成传导模。光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器图2光纤传感器信号处理电源信号接收敏感元件图1传统传感器导线由光发送器发出的光源经光纤引导至敏感元件。这时，光的某一特性受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。2.1光纤传感器结构以电为基础的传统传感器是一种把被测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、