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第七章 光纤传感检测技术;7.1 光纤传感器的基础;舶完苏肩匠蛇黄烧沉颓舰舔俭饮吃父泵聪业疽练艘枝容苹盟翟亭硫渺搪孰光纤传感检测课件光纤传感检测课件;2、光纤的种类 1）按制作材料 高纯度石英玻璃纤维 多组分玻璃光纤 塑料光纤 2）按传输模式分 单模光纤 多模光纤;3）按折射率分布特点分 阶跃光纤 梯度光纤;3、光纤的传输原理 1）光线传播解释 将光看作光线。光由光密介质向光疏介质传播，在满足一定条件时发生全反射。 ;全反入射角：;在梯度光纤中：;2）波导传播解释 将光看作电磁波。用麦克斯韦方程解表示光波。;光波在光纤中传播存在三类模式： 传输模（导模）、泄漏模（漏模）、辐射模;三种模式： a）TEmn模。在轴向只有磁场分量H，而横截面上只有电场分量E。称为横电模。 b）TMmn模。在轴向只有电场分量E，而横截面上只有磁场分量H。称为横磁模。 c）HEmn模（ EHmn模） 。轴向同时存在电场分量和磁场分量。称为混合模。m,n表示贝塞尔函数的阶及相应的根数。代表不同的模式。;不同模式的传输特性不同。;电磁波可表示为：;归一化频率是表征光纤中模式传播特性的重要参数。在一个给定结构参数的光纤中，允许存在的导模数目取决于v，v越大，允许存在的导模越多，反之亦然。;归一化频率与传输模式之间的关系;4、光纤的特性 损耗和色散 1）损耗 定义为：光波在光纤中传输1km产生的功率衰减分贝数。;损耗随波长的增大而减小。;光纤损耗主要有： 吸收损耗 由于光纤材料的量子跃迁致使一部分光功率转换为热量造成的传输损耗。 本征吸收、杂质吸收和原子缺陷吸收。 本征吸收是物质固有的，主要是由紫外和红外波段电子跃迁和振动跃迁引起的吸收。 本征损耗一般很小，约0.01~0.05dB/Km。 杂质吸收是由于光纤材料中的正过渡金属离子的电子跃迁和氢阳根负离子的分子振动跃迁引起的吸收。;原子缺陷吸收是由于强烈的热、光或射线辐射使光纤材料受激出现原子缺陷产生的损耗。 散射损耗 瑞利散射、布里渊散射 、拉曼散射等 瑞利散射是由于光纤中远小于光波长的物质密度不均匀性和掺杂浓度不均匀引起的散射。 分为斯托克斯散射（波长向长波方向偏移）和反斯托克斯散射（向短波方向偏移） 散射光正比于1/λ4。 用长波可减小瑞利散射。;弯曲损耗 曲率半径远大于光纤直径的弯曲所产生的附加损耗。 产生弯曲损耗的效应主要有：空间滤波、模式泄漏、模式耦合 空间滤波：光纤弯曲部分高阶模因全反射条件破坏而折射到包层中，将所携带的能量辐射到光纤之外的一中物理效应。 弯曲半径越小，损耗越大。是弯曲损耗中的主要损耗。 模式泄漏：光场远离纤芯的部分因弯曲不再满足模式传输要求而辐射出光纤。;模式耦合：纤芯中的导模和包层中的辐射模发生模式耦合，使导模能量减小。 2）色散 光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。 不同波长、不同模式下的β值不同。 光纤色散主要有：材料色散、模式色散、波导色散。;几种色散： a）材料色散 又称折射率色散。不同波长的折射率不同引起。发射光谱宽度越窄，材料色散越小。是单模光纤的主要色散。 b）模式色散 梯度光纤中模式间传播速度不同引起。是梯度型多模光纤的主要色散。单模光纤中不存在模式色散。 自聚焦光纤中理论上也不存在模式色散。;c）波导色散 又称结构色散。光纤结构不同，同一模式的传播常数随频率变化引起。 5、光纤传感器分类 1）功能型传感器（function fiber optical sensor FF） 光纤作为传感元件 2）非功能型传感器（non function fiber optical sensor NF） 光纤作为传光元件;6、光纤传感器的特点 检测精度和灵敏度高。 响应速度快，频响宽，可实现非接触高速检测。 环境适应性强。 体积小、重量轻、具有可集成的潜力。 ;光纤传感器的基础 光纤的光波调制技术 光纤传感器实例 分布式光纤传感器 ;外界信号可能引起光的强度、波长（颜色）、频率、相位、偏振态等性质发生变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态的调制原理。 调制方式：强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制、光谱调制等。 1、强度调制 1）微弯损耗强度调制 多模光纤（或单模光纤）微弯时，一部分芯模能量会转化为包层模式能量，通过测量包层模式的能量或芯模能量的变化就能测量外界物理量。 以模式耦合造成的损耗为主。;梯度型光纤中：;2）折射率变化强度调制 温度变化可引起光纤折射率变化，外界环境折射率变化，都可以实现强度调制。 ;3）线位移或角位移强度调制;4）光闸强度调制;5）反射式强度调制;2、偏振调制 振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振。 光按偏振态可分为：自然光、偏振光、部分偏振光。 自然光： ;偏振光：线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光;（b）椭圆偏振光 光矢量端点的轨迹为一