光电检测郭培源第七章

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1、第七章光纤传感检测技术光纤传感器概述光纤传感器:用光纤做为功能材料的传感器以光波为信息载体,以光纤为传输媒质特点：电绝缘性能好;抗电磁干扰能力强；耐恶劣环境;容易实现对被测信号的远距离监控;灵敏度高;传输容量大;质轻体小应用范围:光纤传感器可用于七十多个物理量的测量可测量：位移、速度、加速度、浓度、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量7、1光纤传感器的基础光纤就是光导纤维的简称，是用光透射率高的电介质（如石英、玻璃、塑料等）构成的光通路，它是一种介质圆柱光波导。所谓光波导是指将以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束引导光波在光纤内部或表面附近沿轴线方向传播

2、。7、1、1光纤波导原理光是电磁波EHxyz光波导的基本概念波导:能够导引电磁波传输的装置光波导的分类薄膜波导（平板波导）矩形波导（条形波导）园柱波导（光纤）对称与非对称波导光纤(OpticalFiber)就是用来导光的透明介质纤维光纤的结构光缆单模：8~10mm多模：50mm125mm纤芯包层涂覆层护套层强度元件内护层光纤缆芯外护层7、1、2光纤的种类1、按制作材料分（1）高纯度石英玻璃纤维。这种材料损耗低（2）多组分玻璃光纤。用常规玻璃制成，损耗很低（3）塑料光纤。它与石英光纤相比具有质量轻、成本低、柔软性好、加工方便等优点；但损耗要比玻璃光纤大。光纤的种类2、按照光纤传输的

3、模式分类单模光纤(SingleModeFiber，SMF):单模光纤只传输一种模式，纤芯直径较细，通常在8～10μm范围内。单模光纤只传输主模，也就是说光线只沿光纤的内芯进行传输。单模光纤携带单个频率的光将数据从光缆的一端传输到另一端。单模光纤使用的光波长为1.31μm或1.55μm。目前在有线电视和光通信中，是应用最广的一种光纤。单模光纤只能传输基模(最低阶模)，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，信息容量大，这对于高码速传输是非常重要的。光纤的种类多模光纤(Multi-ModeFiber，MMF):多模光纤可以在单根或多根光纤上同时携带几种光波。MMF光纤纤芯直径较粗

4、，通常为50μm或62.5μm。由于其模间色散较大，限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600Mb/s/km的光纤在2km时则只有300Mb/s的带宽。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几千米。3、按光纤折射率的径向分布分阶跃光纤。其纤芯和包层的折射率的变化是不连续。梯度光纤，也称渐变光纤。在中心轴上折射率最大，中心折射率向外呈抛物线沿径向逐渐变小，纤芯和包层交界处的折射率相等。这种光纤有聚焦作用，光线传播的轨迹近似于正弦波。单模光纤多半是阶跃光纤，多模光纤既有阶跃光纤又有梯度光纤。图光纤的折射率分布阶跃光纤渐变折射率光纤梯度型光纤阶跃型光纤阶跃型多

5、模光纤梯度型多模光纤下页上页4、按用途分（1）通信光纤（2）非通信光纤为特殊光纤。有低双折射率光纤、高双折射率光纤、涂层光纤、液芯光纤、激光光纤和红外光纤等。5、按制作方法分（1）化学气相沉积法或改进化学气相沉积法。用来制作高纯度石英玻璃光纤。（2）双坩埚法或三坩埚法。用以制作多组分玻璃光纤7、1、3光纤的特性信号通过光纤时的损耗和色散是光纤的主要特性。损耗色散光纤损耗系数的概念为了衡量一根光纤损耗特性的好坏，引入损耗系数(或称为衰减系数)，即传输单位长度(Lkm)光纤所引起的光功率减小的分贝数，一般用α(dB/km)表示损耗系数。数学表达式为：光纤的损耗典型值1310nm:0.

6、35~0.5dB/km1550nm:0.2~0.3dB/km850nm:2.3~3.4dB/km光纤熔接点损耗：0.2dB/点光纤熔接点1点/2km光纤的损耗分类损耗主要有三种：吸收损耗散射损耗微扰损耗一、吸收损耗固有吸收损耗是由制造光纤材料本身对光的吸收而产生的损耗；非固有吸收损耗是光纤中的过渡金属离子和氢氧根离子(OH－)等杂质对光的吸收而产生的损耗。1、固有吸收损耗本征吸收损耗有两种基本的吸收方式。(1)红外吸收损耗红外吸收损耗是由于光纤中传播的光波与晶格相互作用时，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗。吸收带的范围是8～12mm(2)紫外吸收损耗紫

7、外吸收损耗是由光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级时，光子流中的能量将被电子吸收，从而引起的损耗。吸收带的范围是3nm~0.4mm2、非固有吸收损耗这种损耗是由光纤制造工艺引起的。在拉制光纤过程中会产生铜、铁、镍、钒、铬、锰和OH－等过渡金属离子。由于这些金属离子的跃迁吸收，在可见光到红外区都会带来极大的吸收损失。二、散射损耗散射损耗主要是由光纤的非结晶材料在微观空间的颗粒状结构和玻璃中存在的像气泡这种不均匀结构引起的。散射损耗分为两种：线性散射