光纤传感检测技术课件

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1、第七章光纤传感检测技术光纤传感器的基础光纤的光波调制技术光纤传感器实例分布式光纤传感器7.1光纤传感器的基础1、光纤的结构光导纤维（OpticalFiber简称光纤）又纤芯、包层及外套组成。纤芯折射率大于包层折射率。光纤具有使光封闭在纤芯里面传输的功能。外套起保护作用。2、光纤的种类1）按制作材料高纯度石英玻璃纤维多组分玻璃光纤塑料光纤2）按传输模式分单模光纤多模光纤3）按折射率分布特点分阶跃光纤梯度光纤阶跃光纤梯度光纤4）按用途分通信光纤特殊光纤5）按制作方法分化学气相沉积法、双坩埚/三坩埚法。3、光纤的传输原理1）光线传播解释

2、将光看作光线。光由光密介质向光疏介质传播，在满足一定条件时发生全反射。全反入射角：可得：NA称为数值孔径(NumericalAperture)。NA是光纤受光能力的标度。标准多模光纤的NA公称值一般为0.2，孔径角为11.5o；标准单模光纤的NA公称值一般为0.1~0.15，孔径角约5.7o~8.6o在梯度光纤中：在梯度光纤中的折射在梯度光纤中的传播自聚焦效应2）波导传播解释将光看作电磁波。用麦克斯韦方程解表示光波。满足麦克斯韦方程的任一特解称为一种模式，简称模。任意电磁波可以看作多个模式的线性组合，同样满足麦克斯韦方程。电磁波主

3、要有横模和纵模。光波在光纤中传播存在三类模式：传输模（导模）、泄漏模（漏模）、辐射模导模：光功率限制在纤芯内传播的光波场，又称为芯模。包括横电模、横磁模和混合模。漏模：在纤芯内及距纤壁一定距离的包层中传播的光波场，又称为包层模。辐射模：在纤芯和包层中均为传输场，不满足全反射条件，模场能量向包层外溢出，光纤失去对光波场功率的限制作用。三种模式：a）TEmn模。在轴向只有磁场分量H，而横截面上只有电场分量E。称为横电模。b）TMmn模。在轴向只有电场分量E，而横截面上只有磁场分量H。称为横磁模。c）HEmn模（EHmn模）。轴向同时存

4、在电场分量和磁场分量。称为混合模。m,n表示贝塞尔函数的阶及相应的根数。代表不同的模式。不同模式的传输特性不同。若光纤中仅传播HE11基模，则因该模在芯心处最强，所以光纤输出的光斑是一个外围光强较弱的圆光斑。TE01模则因芯心处电场最弱，所以光纤输出光斑将在芯心处出现暗区。电磁波可表示为：β为传播常数。β决定了在传播过程中等效在z方向上引入的相位变化值。光纤轴向相速度由ω/β决定。归一化频率为：归一化频率是表征光纤中模式传播特性的重要参数。在一个给定结构参数的光纤中，允许存在的导模数目取决于v，v越大，允许存在的导模越多，反之亦然

5、。当时，只允许一个模式（HE11）。梯度型阶跃型归一化频率与传输模式之间的关系4、光纤的特性损耗和色散1）损耗定义为：光波在光纤中传输1km产生的功率衰减分贝数。式中Pi——光纤输入端光功率；Po——光纤输出端光功率；L——光纤长度；损耗随波长的增大而减小。光纤损耗主要有：吸收损耗由于光纤材料的量子跃迁致使一部分光功率转换为热量造成的传输损耗。本征吸收、杂质吸收和原子缺陷吸收。本征吸收是物质固有的，主要是由紫外和红外波段电子跃迁和振动跃迁引起的吸收。本征损耗一般很小，约0.01~0.05dB/Km。杂质吸收是由于光纤材料中的正过渡

6、金属离子的电子跃迁和氢阳根负离子的分子振动跃迁引起的吸收。原子缺陷吸收是由于强烈的热、光或射线辐射使光纤材料受激出现原子缺陷产生的损耗。散射损耗瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射等瑞利散射是由于光纤中远小于光波长的物质密度不均匀性和掺杂浓度不均匀引起的散射。分为斯托克斯散射（波长向长波方向偏移）和反斯托克斯散射（向短波方向偏移）散射光正比于1/λ4。用长波可减小瑞利散射。弯曲损耗曲率半径远大于光纤直径的弯曲所产生的附加损耗。产生弯曲损耗的效应主要有：空间滤波、模式泄漏、模式耦合空间滤波：光纤弯曲部分高阶模因全反射条件破坏而折射到包层中

7、，将所携带的能量辐射到光纤之外的一中物理效应。弯曲半径越小，损耗越大。是弯曲损耗中的主要损耗。模式泄漏：光场远离纤芯的部分因弯曲不再满足模式传输要求而辐射出光纤。模式耦合：纤芯中的导模和包层中的辐射模发生模式耦合，使导模能量减小。2）色散光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。不同波长、不同模式下的β值不同。光纤色散主要有：材料色散、模式色散、波导色散。几种色散：a）材料色散又称折射率色散。不同波长的折射率不同引起。发射光谱宽度越窄，材料色散越小。是单模光纤的主要色散。b）模式色散梯度光纤中模式间传播速度不同引起。是梯度型多模光纤的

8、主要色散。单模光纤中不存在模式色散。自聚焦光纤中理论上也不存在模式色散。c）波导色散又称结构色散。光纤结构不同，同一模式的传播常数随频率变化引起。5、光纤传感器分类1）功能型传感器（functionfiberopticalsensorFF）光纤作为