第6章_光纤传感技术.pptVIP

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引 言 光纤技术理论的不断完善,光纤制造工艺的日臻 成熟,各种类型的光纤元器件逐步商品化,为光纤传 感技术的发展奠定了理论基础和物质基础。 由于光纤有良好的传输光的特性(衰减系数已达到 0.14dB/km),有比微波高6个数量级的宽频带,再加上 光纤本身就是一种敏感元件,光在光纤中传输时振幅 、相位、偏振态等将随着检测对象的变化而变化,因 此,光纤可以用于制作优良的传感器。 而今,光纤传感技术已广泛应用于国防军事、航 空航天、工矿农业、能源环保、生物医学、计量测试 、自动控制和家用电器等各种领域。 6.1.1 基本概念 光纤是“光导纤维”的简称,是一种介质圆柱光波导. 所谓光波导是指把光形式的电磁波能量利用全反 射原理约束并引导光波在其内部或表面附近沿轴线方 向传播的传输介质,通常以其截面形状分为平板波导 、矩形波导、圆柱波导等。 光纤传感器就是利用光纤将待测量对光纤内传输 的光波参量进行调制,并对被调制过的光波信号进行 解调检测,从而获得待测量值的一种装置。 6.1.2 光纤的分类 光纤的种类很多,从不同的角度出发,有不同的分 类,通常有以下四种分类方式: 按光纤材料可分为: ① 石英系列光纤; ② 多组分玻璃光纤; ③ 氟化物光纤; ④ 塑料光纤; ⑤ 液芯光纤; ⑥ 晶体光纤; ⑦ 红外材料光纤等; 按传输模式可分为: ①单模光纤; ②多模光纤; 按工作波长可分为: ①短波长(0.8-0.9 ?m)光纤; ②长波长(1.0-1.7 ?m)光纤; ③超长波长(2 ?m)光纤; 按照光纤横截面上折射率的分布可分为: ①阶跃型(突变型)光纤; ②渐变型(自聚焦)光纤。 6.1.3 光纤的结构 光纤是由纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝; 包层为光的传输提供反射面和光隔离,并起一定的机械保护作用; 纤芯的折射率比包层稍高,损耗比包层更低,光能量主要在纤芯内传输; 纤芯和包层的相对折射率差? = (n1?n2)/n1的典型值,一般单模光纤为0.3%~0.6%,多模光纤为1%~2%。?越大,把光能量束缚在纤芯的能力越强,但信息传输容量却越小。 光纤种类繁多,但最重要的也是最基本的有三种: 突变型(SI)多模光纤; 渐变型(GI)多模光纤; 单模(SM)光纤。 它们横截面的结构和折射率分布,光线在纤芯传播的路径,以及由于色散引起的输出脉冲相对于输入脉冲的畸变情况比较如下: 经过简单的运算,可得: 设?n=0.01,n1=1.5,得到NA=0.21或?c=12.2° NA表示光纤接收和传输光的能力,对于无损耗光 纤,在?c 内的入射光都能在光纤中传输。 NA越大,光 纤接收光的能力越强,从光源到光纤的耦合效率越高; 纤芯对光能量的束缚越强,光纤抗弯曲性能越好。 但NA越大,经光纤传输后产生的信号畸变越大, 因而限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合 ,选择适当的NA。 光纤间的连接分为永久性连接和活动性连接。永 久连接一般分为粘接剂连接和热融接两种方式。都需 用V型槽或精密套管,将光纤中心对准后加粘结剂使之 固化,或者采用二氧化碳激光器或电弧放电等熔融光 纤对接,使之连接起来,这种接头损耗可低达0.1dB。 2.光纤的光耦合 光纤的光耦合是指把光源发出的光功率最大限度 地输送进光纤中去。这是一个比较复杂的问题,涉及 光源发出的光功率的空间分布、光源发光面积、光纤 的收光特性和传输特性等等。 1)直接耦合 所谓直接耦合,就 是把一根平端面的光纤 直接靠近光源发光面放 置。一般耦合效率大约 为20%。 2)透镜耦合 透镜耦合方法可以提高耦合效率,也可能不提高, 这里有一个耦合效率准则概念。 对于lambet型光源(例如发光二级管),不管中间加 什么样的系统,它的耦合效率不会超过一个极大值: 当发光面积Se大于光纤接收面积Sf 时,加任何光学 系统都没有用,最大耦合效率可以用直接耦合的办法得 到。当发光面积小于光纤接收面积时,加上光学系统是 有用的,可以提高耦合效率,而且发光面积越小,耦合 效率提高越多。 ① 光纤端面球透镜耦合 ② 柱透镜耦合(最大约50%左右) ③ 凸透镜耦合(一般在50%左右) ④ 自聚焦光纤(一般在50%左右) ⑤ 圆锥形透镜耦合(数值孔径是平端光纤的an/a1 倍。这种耦合效率可高达90%以上。) 3.光纤合光器与分光器 6.1.6 光纤传感技术 光纤在通信技术中用于长距离传递信息,人们很快

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