光纤传感检测技术

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1、第七章光纤传感检测技术光纤的原理光纤之父——高锟神奇的光纤光纤革命光纤通信进展光纤传感器始于1977年，目前已进入研究与应用并重阶段。主要优点：①灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可挠性强、可实现不带电的全光型探头。②频带宽、动态范围大。③可用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器④便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测和控制⑤可用高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境。⑥结构简单、体积小、重量轻、耗能少。7.1光纤传感器的基础光纤波导的结构套层一次涂覆层纤芯包层套层一次涂覆层包层纤芯多层介

2、质结构：1、纤芯：石英玻璃，直径5-75um，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素。2、包层：直径100-200um，折射率略低于纤芯。3、涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。4、尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。光纤的光波导原理n23n2n1210①②n14n2光纤的临界角对应光纤的入射角临界值为：narcsin(2)22cnsinnnNAn00121渐变光纤的导光原理示意图在渐变光纤中光线传播的轨迹近似于正弦波。光纤的分类石英系列光纤（以SiO为主要材料）2按光纤组成材料划

3、分多组分光纤（材料由多组成分组成）液芯光纤（纤芯呈液态）塑料光纤（以塑料为材料）阶跃型光纤（SIF）光纤种类按光纤纤芯折射率分布划分渐变型光纤（GIF）W型光纤单模光纤（SMF）按光纤传输模式数划分多模光纤（MMF）光纤的纤芯折射率剖面分布2b2b2b2c2a2a2annnn1nnn112nnn2230abr0abr0acbr（a）阶跃光纤（b）渐变光纤（c）W型光纤光纤的类型光纤中的重要参数1、数值孔径（NA,NumericalAperture）当光线在纤芯与包层界面上发生全反射时，相应的端面入射角为光纤波

4、导的孔径角（或端面临界角）。即只有光纤端面入射角大于的光线才能在光纤中传播，故光纤的受光区域是一个圆锥形区域，圆锥半锥角的最大值就等于孔径角。为表示光纤的集光能力大小，定义光纤波导孔径角的正弦值为光纤的数值孔径（NA），即：NAnsin0022nnn2121光纤参数数值孔径的意义？？光纤中的重要参数2、光纤中的模式(FiberMode)电磁波的传播遵从麦克斯韦方程，而在光纤中传播的电磁场根据由光纤结构决定的边界条件，可求得满足波动方程的特定的离散的解，而某一个解代表许多允许沿光纤波导传播的波，每个

5、允许传播的解称为光纤的模式，每个波具有不同的振幅和传播速度。光纤中可能传播的模式有横电波、横磁波和混合波。（1）横电波TEmn：纵轴方向只有磁场分量；横截面上有电场分量的电磁波。中下标m表示电场沿圆周方向的变化周数，n表示电场沿径向方向的变化周数。（2）横磁波TMmn:纵轴方向只有电分量；横截面上有磁场分量的电磁波。（3）混合波HEmn或EHmn:纵轴方向既有电分量又有磁场分量，是横电波和横磁波的混合。无论哪种模式，当m和n的组合不同，表示的模式也不同。光纤中的重要参数3、光纤的归一化频率V归一化频率是为表征

6、光纤中所能传播的模式数目多少而引入的一个特征参数。其定义为：2r222rVnnNAkrn21201其中，r——是光纤的纤芯半径；λ——是光纤的工作波长；n1和n2——分别是光纤的纤芯和包层折射率；k0——真空中的波数；∆——光纤的相对折射率差。归一化频率越大，光纤所允许传播的模式越多，当V<2.405时，光纤中只允许一个模式传播，即基模。光纤中的重要参数4、传播常数β传播常数β是描述光纤中各模式传输特性的一个参数，光纤中各模式的传输或截止都可以由该参数决定。2kncosncos1

7、10光纤通信中信息就是由传导模传送的。传导模的传播常数是限制在纤芯到包层之间的，即knkn0201当β

8、rn21201模式特性V模式导模总数0--2.405HE2112.405--3.832HE,TE,TM2+4=62101013.832--5.136HE,HE,EH6+6=121231115.136--5.520HE,EH12+4=1641215.520--6.380HE,TE,TM16+4=20220202....单模传输条件..当0＜V＜2.405时,光纤中除主模（或基模）HE11模以外，