EM Course 09.ppt

国外光纤技术发展情况 国内光纤技术发展情况 可见，光纤的数值孔径（NA）仅取决于纤芯的折射率的大小及包层相对折射率差，而于光纤的直径无关。 标准多模光纤的NA公称值一般为0.2，对应的孔径角约为11.5o。 标准单模光纤的NA公称值一般为0.1～0.15，对应的孔径角约为5.7o~8.6o。 * 工程测试技术 第9章 光纤传感器 宁夏大学 机械工程学院 朱学军 本章学习要求： 1.掌握传感器工作原理——全反射 2.掌握光纤传感器的性能参数、种类、特点 3.了解传感器的应用——光纤涡流流量计 20世纪60年代中期，所研制的最好的光纤损耗在400dB以上 1966年英国标准电信研究所高锟及Hockham从理论上预言光纤损 耗可降至20dB/km以下 日本于1969年研制出第一根通信用光纤损耗为100dB/km 1970年康宁公司（Corning）采用“粉末法”先后获得了损耗低于20dB/km和4dB/km的低损耗石英光纤 1974年贝尔实验室（Bell）采用改进的化学汽相沉积法制出性能优于康宁公司的光纤产品。 到1979年，掺锗石英光纤在1.55μm处的损耗已经降到0.2dB/km，这一数值已经十分接近石英光纤理论损耗极限 1963年 开始光通信的研究 1977年，第一根短波长(0.85mm)阶跃型石英光纤问世，损耗 为300dB/km 1978年，阶跃光纤的衰减降至5dB/km。研制出短波长多模梯 度光纤，即G.651光纤 1979年，研制出多模长波长光纤，衰减为1dB/km。建成5.7 km、8Mb/s光通信系统试验段 1980年 1300nm窗口衰减降至0.48dB/km，1550nm窗口衰减 为0.29dB/km。 1981年多模光纤活动连接器进入实用 1984年 武汉、天津34Mb/s市话中继光传输系统工程建成(多模) 1990年，研制出G.652标准单模光纤，最小衰减达0.35dB/km 1992年降至0.26dB/km 9.1 光导纤维及其传光原理 光纤是一种光信号的传输媒介。 光纤的结构：最内层的纤芯是一种截面积很小、质地脆、易断裂的光导纤维，制造材料可以是玻璃或塑料。纤芯的外层由折射率比纤芯小的材料制成。 由于纤芯与包层之间存在着折射率的差异，光信号得以通过全反射在纤芯中不断向前传播。光纤的最外层是起保护作用的外套。通常是将多根光纤扎成束并裹以保护层制成多芯光缆。 9.1 光导纤维及其传光原理 光纤的种类： 1）按纤芯和包层的材质：玻璃光纤、塑料光纤。 2）按折射率的变化：阶跃型、渐变型（聚焦光纤）。 3）按传播模式：单模光纤、多模光纤。 单模光纤直径较小，只能传输一种模式。其优点是：信号畸变小、信息容量大、线性好、灵敏度高；缺点：纤芯较小，制造、连接、耦合较困难。 多模光纤直径较大，传输模式不只一种。其缺点是：性能较差。优点：纤芯面积较大，制造、连接、耦合容易。 9.1 光导纤维及其传光原理 光纤的优点： 1）光纤支持很宽的带宽（1014～1015 HZ），覆盖了红外线和可见 光的频谱。 2）具有很快的传输速率。传输速率的制约因素是信号生成技术。 3）抗电磁干扰能力强，且光束本身又不向外辐射，适用于长距离 的信息传输及安全性要求较高的场合。 4）光纤衰减较小，中继器的间距较大。 光纤的缺点：系统成本较高、不易安装与维护、易断裂等。 光纤传感器的特点： 极高的灵敏度和精度 固有的安全性好 抗电磁干扰 高绝缘强度 耐腐蚀 集传感与传输于一体 能与数字通信系统兼容等 光纤传感器受到世界各国的广泛重视。光纤传感器已用于位移、振动、转动、压力、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度等70多个物理量的测量。 在生产过程自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面有广泛的应用前景。 9.1 光导纤维及其传光原理 光导纤维导光的基本原理 光是一种电磁波,一般采用波动理论和几何光学来分析导光的基本原理。 1、斯乃尔定理（Snells Law） 当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图(a)，其折射角大于入射角，即n1＞n2时，θr＞θi。 n1 n2 θr θi (a)光的折射示意图 可见，入射角θi增大时，折射角θr也随之增大，且始终θr＞θi。 n1、n2、θr、θi之间的数学关系为 n1sinθi=n2sinθr 9.1 光导纤维及其传光原理 当θi＞θi0并继续增大时，θr＞90o，这时便发生全反射现象，如图(c) ，其出射光不再折射而全部反射回来。 式中：θi0——临界角 θi0=arcsin(n2/n1) sinθi0=n2/n1 sinθr＝sin90o＝1 n1 n2