光纤传感器 _1 PPT课件.ppt

光纤与光纤传感器;一、基础知识 光纤传感器 光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)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质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。 ; ①电绝缘性能好。 ②抗电磁干扰能力强。 ③非侵入性。 ④高灵敏度。 ⑤容易实现对被测信号的远距离监控。 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;纤芯;n2;;返回;3.传光原理--斯乃尔定理 ;光纤导光 ;n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n0≈1;当θr =90°的临界状态时， ;4.光纤的传输特性 光纤的衰减(或损耗)和色散(或带宽)是描述光纤传输特性的两个重要参量。 衰减的概念 由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号，不管是模拟信号还是数字脉冲，其幅度都要减小。光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。 ;1)传输损耗：在光纤内传输的光功率P随距离z的变化，可以用下式表示  式中，α是损耗(衰减)系数。 设长度为L(km)的光纤， 输入光功率为Pi，输出光功率应为 Po=Piexp(-αL) 习惯上α的单位用dB/km,损耗(衰减)系数; 吸收损耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。 由材料电子跃迁引起的吸收带发生在紫外(UV)区(λ0.4μm)，由分子振动引起的吸收带发生在红外(IR)区(λ7μm)，由于SiO2是非晶状材料，两种吸收带从不同方向伸展到可见光区。;固有吸收很小，在0.8~1.6μm波段，小于0.1dB/km，在1.3~1.6μm波段，小于0.03dB/km。;光纤中的杂质主要有过渡金属(例如Fe2+、Co2+、Cu2+)和氢氧根(OH-)离子，这些杂质是早期实现低损耗光纤的障碍。 氢氧根离子(OH-) 吸收峰在0.95μm、1.24 μm和1.39 μm波长，其中以1.39 μm的吸收峰影响最为严重。; 散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起??散射产生的。 结构缺陷散射产生的损耗与波长无关。 ;瑞利散射损耗αR与波长λ四次方成反比，可用经验公式表示为α R =A/λ4，瑞利散射系数A取决于纤芯与包层折射率差Δ。当Δ分别为0.2%和0.5%时，A分别为0.86和1.02。瑞利散射损耗是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。 如果Δ=0.2%，在1.55μm波长，光纤最低理论极限为0.149 dB/km。 ;2）色散 色散(Dispersion)：是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。 模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生的， 它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关. ;材料色散：是由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光(实际光源不是纯单色光)，其时间延迟不同而产生的。这种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：是由于波导结构参数与波长有关而产生的， 它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。;单模光纤与多摸光纤的色散 (1)单模光纤的色散 由于单模光纤只传输一种模式，因而它不存在模间色散，只有模内色散，即材料色散和波导色散。它们分别用色散系数σc和σω表示。总色散σ= σc+σω 。 通常，材料色散比波导色散大两个量级。但是，在零色散区，材料色散与波导色散值大致相当，只是两者符号相反。;(2)多模光纤的色散 对于多模光纤，模间色散通常占主导地位。如果把模间色散平衡掉，则剩下的是材料色散和波导色散。此时，情况与单模传输类似，不同的是这里的波导色散是多模波导色散。在多模光纤中，波导色散与材料色散相比，常常可以忽略。; 材料色散是材料的折射率随频率变化引起的色散，因此材料色散引起的脉冲展宽与光源谱宽成正比。对于多模渐变型光纤，如果采用激光器(LD)作光源，其谱宽一般为1-2nm，故可忽略材料色散。此时，脉冲展宽主要由模间色散决定。但是，当光源为发光二级管(LED)时，由于其谱宽大约为30—50nm，故增加了材料色散的