光纤传感器-PPT课件.ppt
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1、第第1111章章 光纤与光纤传感器光纤与光纤传感器一、基础知识一、基础知识光纤传感器光纤传感器 光纤传感器光纤传感器(FOS Fiber Optical(FOS Fiber Optical Sensor)Sensor)是是2020世纪世纪7070年代中期发展起来年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它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,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。它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器光纤传感器用光作为敏感信息的载体用光作为敏感信息的载体,用光纤作为用光纤作为传递敏感信息的媒质传递敏感信息的
2、媒质。因此,。因此,它同时具有光纤及光学测量的特点。它同时具有光纤及光学测量的特点。电绝缘性能好。电绝缘性能好。抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。非侵入性。非侵入性。高灵敏度。高灵敏度。容易实现对被测信号的远距离监容易实现对被测信号的远距离监控。控。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、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、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量电流、电压、磁场等物理量纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层护套护套1.结构结构两个同轴区,内两个同轴区,内区称为纤芯,外区称为包层区称为纤芯,外区称为包层而且内芯的折射率略大于包而且内芯
3、的折射率略大于包层的折射率层的折射率。通常,在包层。通常,在包层外面还有一层起支撑保护作外面还有一层起支撑保护作用的套层。用的套层。n2n1多模 阶跃光纤nr多模 梯度光纤n2n1单模 梯度光纤2.光纤的种类及传输模式光纤的种类及传输模式根据折射率的变化规律根据折射率的变化规律,光纤分为阶跃型和梯度型光纤分为阶跃型和梯度型.传输模传输模式分为单模和多模式分为单模和多模.光纤的传光原理光纤的传光原理返回3.3.传光原理传光原理-斯乃尔定理斯乃尔定理 当光由光密物质出射至光疏物质时,发生折射当光由光密物质出射至光疏物质时,发生折射 (a a)折射角大于入射角:)折射角大于入射角:(b b)临界状态
4、:)临界状态:(c c)全反射)全反射 :rinnsinsin21)/arcsin(120nni0ii光纤导光光纤导光 jinnsinsin10rknnsinsin21kj 90kkkinnnnnn2010101sin1cos)90sin()/(sinjinnsin)/(sin01rrinnnnnnn22221021201sin1)sin(1sinn0为入射光线为入射光线AB所在空间的折射率,一般皆为空气,故所在空间的折射率,一般皆为空气,故 n01rinn22221sinsin22210sinnni当当r=90r=90的临界状态时,的临界状态时,Sin iSin i定义为定义为“数值孔径数值
5、孔径”NANA(Numerical ApertureNumerical Aperture)arcsinNAarcsinNA是一个临界角,是一个临界角,i arcsinNAi arcsinNA,光线进入光纤后都不能传播而在包层消失;,光线进入光纤后都不能传播而在包层消失;i arcsinNAi arcsinNA,光线才可以进入光纤被全反射传播。,光线才可以进入光纤被全反射传播。4.光纤的传输特性光纤的传输特性 光纤的光纤的衰减衰减(或损耗或损耗)和和色散色散(或带宽或带宽)是描是描述光纤传输特性的两个重要参量。述光纤传输特性的两个重要参量。衰减的概念衰减的概念 由于损耗的存在,在光纤中传输的光由
6、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。决定了系统的传输距离。1)1)传输损耗:在光纤内传输的光功率传输损耗:在光纤内传输的光功率P P随距离随距离z z的变化,可以用下式表示的变化,可以用下式表示 式中,式中,是损耗是损耗(衰减衰减)系数。系数。设长度为设长度为L(km)L(km)的光纤,的光纤,输入光功率为输入光功率为PiPi,输,输出光功率应为出光功率应为 Po=PPo=Pi iexp(-L)exp(-L)习惯上习惯上 的单位用的单位
7、用dB/km,dB/km,损耗损耗(衰减衰减)系数系数apdzdp)/(lg100kmdBppLi 吸收吸收损耗是由损耗是由SiO2SiO2材材料引起的固有吸收和由杂料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。质引起的吸收产生的。由由材料电子跃迁引起材料电子跃迁引起的吸收带发生在紫外的吸收带发生在紫外(UV)(UV)区区(0.4m)(7m)(7m),由于,由于SiO2SiO2是非晶状材料,两种是非晶状材料,两种吸收带从不同方向伸展到吸收带从不同方向伸展到可见光可见光区。区。0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6实验波导缺陷紫外吸收瑞利散射红外吸收波长/m损耗
8、/(dBkm1)固有吸收很小,固有吸收很小,在在0.81.6m0.81.6m波段,小于波段,小于0.1dB/km0.1dB/km,在,在1.31.6m1.31.6m波波段,小于段,小于0.03dB/km0.03dB/km。0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6实验波导缺陷紫外吸收瑞利散射红外吸收波长/m损耗/(dBkm1)0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6实验波导缺陷紫外吸收瑞利散射红外吸收波长/m损耗/(dBkm1)光纤中的杂质主要有光纤中的杂质主要有过渡金属过渡金属(例如例如Fe2+Fe2+、Co2+Co2+、
9、Cu2+)Cu2+)和氢氧和氢氧根根(OH-)(OH-)离子,这些杂离子,这些杂质是早期实现低损耗质是早期实现低损耗光纤的障碍。光纤的障碍。氢氧根离子氢氧根离子(OH-)(OH-)吸吸收 峰 在收 峰 在 0.9 5 m0.9 5 m、1.24 m1.24 m和和1.39 m1.39 m波长,其中以波长,其中以1.39 1.39 mm的吸收峰影响最为的吸收峰影响最为严重。严重。散射损耗主要由材散射损耗主要由材料微观密度不均匀引料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光起的瑞利散射和由光纤结构缺陷纤结构缺陷(如气泡如气泡)引引起的散射产生的。起的散射产生的。结结构缺陷散射产生的损构缺陷散射产生的损耗与
10、波长无关。耗与波长无关。0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6实验波导缺陷紫外吸收瑞利散射红外吸收波长/m损耗/(dBkm1)瑞利散射损耗瑞利散射损耗 R R与波长与波长 四次方成反比,可用经四次方成反比,可用经验公式表示为验公式表示为 R R=A/=A/4 4,瑞利散射系数瑞利散射系数A A取决于纤取决于纤芯与包层折射率差芯与包层折射率差。当。当 分别为分别为0.2%0.2%和和0.5%0.5%时,时,A A分别为分别为0.860.86和和1.021.02。瑞利散射损耗是光纤的瑞利散射损耗是光纤的固有损耗,它决定着光固有损耗,它决定着光纤损耗的最低理论极
11、限。纤损耗的最低理论极限。如果如果=0.2%=0.2%,在,在1.55m1.55m波长,光纤最低波长,光纤最低理论极限为理论极限为0.149 0.149 dB/kmdB/km。0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6实验波导缺陷紫外吸收瑞利散射红外吸收波长/m损耗/(dBkm1)2 2)色散)色散色散色散(Dispersion)(Dispersion):是在光纤中传输的光信号,: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、材料色散和物理效应。色散一般包括模式色散、
12、材料色散和波导色散。波导色散。模式色散模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生是由于不同模式的时间延迟不同而产生的,的,它取决于光纤的折射率分布,并和光纤材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料折射率的波长特性有关.材料色散:材料色散:是由于光纤的折射率随波长而改变,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以及模式内部不同波长成分的光(实际光源不是纯实际光源不是纯单色光单色光),其时间延迟不同而产生的。这种色散取,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决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。度。波导色散:波
13、导色散:是由于波导结构参数与波长有关而产是由于波导结构参数与波长有关而产生的,生的,它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。折射率差。单模光纤与多摸光纤的色散单模光纤与多摸光纤的色散(1)(1)单模光纤的色散单模光纤的色散 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们分别用色散系数 c c和和 表示。总色散表示。总色散=c c+。通常,材料色散比波导色散大两个量级。但是,在通常,材料色散比波导色散大两个量级。
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