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付小宁版“光电检测技术与系统”第八章光纤探测技术与系统讲解材料.ppt

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    • 第八章 光纤探测技术与系统,8.1 光纤测试技术基础 8.1.1 光纤结构 8.1.2 光纤类型 8.1.3 光纤传输特性 8.1.4 单模光纤的偏振与模式双折射 8.1.5 光纤的连接耦合技术 8.2 光纤传感器的原理与实现 8.2.1 强度调制光纤传感器 8.2.2 相位调制光纤传感器 8.2.3 频率调制光纤传感器 8.2.4 偏振调制光纤传感器 8.2.5 波长调制光纤传感器 8.3 光纤布拉格光栅传感器 8.3.1 传感原理 8.3.2 解调技术 8.3.3 封装增敏和复用技术,2020/7/8,2,在实际的光传输过程中,光纤易受外界环境因素影响,如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波参数如光强、相位、频率、偏振、波长等的变化因此,测出光波参数的变化,就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小,于是产生了光纤传感技术 光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点,如灵敏度高,抗电磁干扰,耐腐蚀,电绝缘性好,防爆,光路有可挠曲性,便于与计算机联接,结构简单,体积小,重量轻,耗电少等2020/7/8,3,8.1.1 光纤结构 光纤是能够传输光的纤维波导或光导纤维的简称,如图8.1-1所示。

      8.1 光纤测试技术基础,在图8.1-1所示具体得到光纤中,当光线在纤芯与包层的分界面的入射角大于 时,才能保证光线在纤芯内产生多次全反射,使光线沿光纤传输然而,内光线的这个入射角的大小又取决于从空气中入射的光束进入纤芯所产生的折射角,因此,空气和纤芯界面上入射光的入射角 就限定了光能能否在光纤中以全反射形式传输2020/7/8,4,与内光线入射角的临界值 相对应,光纤入射光的入射角 也有一个最大值 ,当 时,入射光在光纤内将以大于或等于 的入射角在纤芯和包层界面上产生多次全反射 在上述临界条件下,空气和纤芯界面上,入射光线满足,(8.1-4),式(8.1-4)中 为光线由空气进入纤芯后的折射角,并且满足 此时内光线在纤芯与包层的界面上发生全反射,由斯涅耳 定律,有,(8.1-5),于是有,(8.1-6),定义为光纤的数值孔径为,(8.1-7),NA是表示光纤波导特性的重要参数,它的平方是光纤端面集光能力的量度,反映光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率2020/7/8,5,8.1.2 光纤类型 8.1.2.1 单模光纤和多模光纤 单模光纤只能传输一种模式,但这种模式可以按两种相互正交的偏振状态出现。

      多模光纤传输多种模式,往往有几百到几千模式 光纤能传导的模式数N可用下式计算,(8.1-10),式(8.1-10)中, 是纤芯折射率的最大值; 是光纤断面折射率分布指数,它决定光纤折射率沿径向分布的规律, 为最大相对折射率差,即,(8.1-11),8.1.2.2 阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤 根据纤芯径向折射率的不同,光纤又可分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤 通常,单模光纤多半是阶跃折射率分布,多模光纤既有阶跃折射率也有渐变折射率分布2020/7/8,7,实际设计与使用的光纤,其性能也各不相同单模光纤频带极宽,而渐变折射率光纤的信息容量较大,且处理简便当需要从光源处收集尽可能多的光能时,则使用粗芯阶跃折射率多模光纤比较合适因此,通常在短距离、低数据率通信系统中使用多模阶跃光纤;在长距离、高数据率通信系统中使用单模光纤或渐变折射率多模光纤在光纤传感应用中,光强度调制型或传光型光纤传感器绝大多数采用多模(阶跃或渐变折射率)光纤相位调制型和偏振态凋制型光纤传感器采用单模光纤,例如,满足特殊要求的保偏光纤、低双折射光纤、高双折射光纤等2020/7/8,8,8.1.3 光纤传输特性 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。

      8.1.3.1 光纤的损耗 光纤的损耗主要包括吸收损耗、散射损耗和微扰损耗,这里主要介绍前2种1)吸收损耗 玻璃材料的吸收损耗主要是由它们所含的过渡金属离子所造成的(如铜、铁、铬等正离子)此外氢氧根(OH-)引起的吸收损耗亦是极为重要的因素2)散射损耗 一切透明物体都具有因密度不均匀而引起的折射率不均匀,因而使光向各个方向散射造成光能量的损耗,这种散射称为瑞利散射,它代表了光纤损耗的最低极限当波长小于0.8m时,瑞利散射引起的损耗随波长的缩短而明显增加因此目前使用的石英玻璃光纤,其使用波段限于0.81.7m波段之间此外,光纤在制造过程中造成的缺陷,如纤芯与包层的界面不规则、光纤粗细不均匀等都会引起模式耦合而使一部分能量转移到辐射模而逸出纤芯,造成散射损耗光纤弯曲时亦会引起模式耦合而造成“弯曲损耗”8.1.3.2 光纤的色散与脉冲展宽 光纤色散是指输入光脉冲在光纤中传输时,产生的光脉冲展宽的现象色散的存在使传输的信号脉冲发生畸变,从而限制了光纤的传输带宽 光纤色散可分为三种:即材料色散、波导色散和模间色散前两种色散通常均称为模内色散 (1)模间色散 (2)材料色散 光纤中光的传播速度与纤芯介质的折射率n1有关,而对于不同波长的光其折射率是不同的。

      与模间色散相比,材料色散要小得多 (3)波导色散 波导色散比材料色散小得多,在0.85m波长附近约小一个数量级在1.25m波长附近,材料色散显著减小,两者大致相同 (4)光纤的冲击响应与脉冲展宽 光纤的带宽(或脉冲展宽)是表征光纤传输特性的一个重要参数,它决定了光纤正确地传输脉冲信息的最高速率(即信息容量)8.1.4 单模光纤的偏振与模式双折射 由于光纤制造过程中的不确定性因素、光纤的不圆程度、内应力的不均匀程度;来自外部的压力、环境温度的变化,敷设时产生的弯曲等等,都会对光纤造成偏振模色散(一种模间色散)8.1.5 光纤的连接耦合技术 8.1.5.1 光纤的拉制 “双坩埚法”拉制 现代多数低损耗光纤大多用化学汽相沉积法(CVD)或改进化学汽相沉积法(MCVD)制造 8.1.5.2 光纤的连接 对光纤传感器来说,互连引起的插入损耗也可能要占光纤传感器总损耗的大部分 互连可分成三类: 连接器用于光纤之间或光纤与某个元器件之间的互连; 固定接头用于两根光纤之间或光纤与某个元器件之间的熔接或永久性连接; 耦合器连接2020/7/8,12,(1)光纤连接损耗 在光纤连接器和固定接头中,功率损耗可分成两类:固有损耗和附加损耗。

      阶跃折射率光纤的端面间隙将引起附加损耗,端面间隙对耦合损耗的影响也与数值孔径有关数值孔径越大,未入射到接收光纤纤芯中的光所占的百分比越大对光纤传感器使用的光纤,NA大多接近于0.1510%的纤芯直径偏差只产生0.2dB的损耗而纤芯直径一半的端面间隙将产生0.7dB左右的耦合损耗如果是固定接头,则不存在这种损耗2020/7/8,13,8.1.5.3 光纤固定接头 光纤固定接头是一种永久性的连接,其基本要求是:以最短的时间与最低的成本获得最低的稳定插入损耗光纤熔焊固定接头技术是所有光纤接头中性能最稳定,应用最普遍的一种 8.1.5.4 光纤定向耦合器 光耦合器是一种用于传送和分配光信号的无源器件 1 耦合器的分类 (1)透射型MN耦合器 (2)反射型1N耦合器 由N个端口中任何一个端口输入的光信号都将技一定比例分配至其它所有端口输出 (3)透反型MN耦合器,2 耦合器的基本工作原理 耦合器的工作原理可由模式耦合理论来说明(单模光纤),也可由光纤的弯曲损耗理论来分析(多模光纤)2020/7/8,14,3 耦合器性能参数及制备方法 耦合器的性能可从以下几个方面来描述 (1)耦合比:表示由输入信道i耦合到指定输出信道j的功率大小,定义为输出信道功率 与输入功率 之比,(8.1-28),(2)附加损耗:表示由耦合器带来的损耗,定义为输出信道功率之和与输入功率之比,(8.1-29),(3)信道插入损耗:表示由输入信道i至指定信道j的损耗,定义为,(8.1-30),(4) 隔离比:表示透射式耦合器中同侧端口之间的隔离程度,定义为由非指定输出信道k测得的功率 与输入信道i功率 之比,以分贝表示为,(8.1-31),回波损耗:表示由输入信道返回功率的大小,定义为信道返回信道返回功率 与输入功率 之比,(8.1-32),耦合器的制备方法主要有三种(1)浸湿法 (2)磨削法(3)熔錐法。

      2020/7/8,15,8.2 光纤传感器的原理与实现 光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长(颜色)调制光纤传感器 光纤传感器按检测对象的不同、又可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等2020/7/8,16,,2020/7/8,17,8.2.1 强度调制传感器,强度调制方式很多,大致分为以下几种:反射式强度调制、投射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸收系数强度调制等一般透射式、反射式和折射率强度调制称为外调制式,光模是称为内调制模式图8.2-1 强度调制原理,2020/7/8,18,2020/7/8,19,2020/7/8,20,2020/7/8,21,2. 反射式强度调制 这种光强度调制大致有单光纤、 双光纤及传光束等形式图8.2-5 光栅遮光屏透射式调制透光周期性变化,图8.2-6 反射式强度调制,2020/7/8,22,3其它光强度调制方式 利用光纤微弯产生损耗进行光强度调制:当光纤受到弯曲后,有少量的芯模能量会转换成包层模能量而损失掉,通过测量包层模或芯模能量的变化就获得外界待测物理量的变化。

      利用折射率变化的光强度调制:折射率变化的光调制是利用光纤芯的化学性质 光纤的吸收实现光强度调制:光纤的吸收指的是在光纤芯中掺入产生吸收光谱的材料(如选用铅玻璃制成光纤),若有诸如x射线、射线辐射到铅玻璃光纤上,则由于光纤的吸收损耗的增大导致输出功率的降低,也就产生了这种吸收构成的光强度调制的光纤辐射量传感器 利用数字编码技术的光强度调制:用线性或转动的数字编码技术,能有效地消除长期漂移和光强变化对强度调制带来的误差影响2020/7/8,23,8.2.2 相位调制光纤传感器,相位调制光纤传感器的基本原理是:通过被测能量场的作用,使光纤内传播的光波相位发生变化,再用干涉测量技术把相位变化转换为光强度变化,从而检测出待测的物理量 与其它调制方式相比,相位调制技术由于采用干涉技术而具有很高的检灵敏度,对温度为 ,对压力 ,对应变(轴向)为 如果信号检测系统可以检测 (一般式这个数量级)的相位移,那么,每米光纤的检测灵敏度对温度为 对压力为 ,对应变为 动态测量范围大,可达 ,且探头形式灵活多样,适用于不同的测试环境,同时响应速度也快2020/7/8,24,当光纤受到纵向(轴向)的机械应力作用时,光纤的长度、芯径和纤芯折射率都将发生变化,这些变化将导致光波的相位变化。

      光波通过长度为L的光纤后,出射光波的相位延迟为,(8.2-2),式中, 为光波在光纤中的传播常数, 是光波在光纤中的传播长, 是光波在真空中的传播波长那么,光波在外界因素的作用下,相位的变化可以写成如下形式,(8.2-3),式中,a为光纤芯的半径;第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟(应变效应);第二项表示感应折射率变化引起的相位延迟(光隙效应);第三项则表示光纤的半径改变所产生的相位延迟(泊松效应)2020/7/8,25,实现纵向、径向应变最简便的方法是,采用一个空心的压电陶瓷圆柱筒(PZT),在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圈光纤,并在其径向或轴向施加驱动信号 对于光弹效应,为了加强其效应,通常采用大费尔德常数材料作光纤包层,并把光纤绕在PZT圆筒上利用光纤的光弹效应可构成相位调制的干涉型光纤水听器及压力、扳动等光纤传感器 温度应变效应与应力应变效应相似若光纤放置在。

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