《光纤传感技术》PPT课件

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1、1光纤传感技术光纤发展历史21870年，英国物理学家丁达尔的实验1960-光纤发明1966-华裔科学家“光纤之父”高锟预言光纤将用于通信。1970-美国康宁公司成功研制成传输损耗只有20dm/km的光纤。1977-首次实际安装电话光纤网路1978-FORT在法国首次安装其生产之光纤电1979-赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤，被誉为“中国光纤之父”1990-区域网路及其他短距离传输应用之光纤2005FTTH(FiberToTheHome)光纤直接到家庭2009高锟获得诺贝尔物理学奖。3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：灵敏度

2、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。频带宽、动态范围大。可用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器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可用高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境。结构简单、体积小、重量轻、耗能少。4一次涂覆层纤芯包层套层一次涂覆层包层纤芯套层光纤波导的结构多层介质结构：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。2.光纤传感器

3、的基础5光纤的光波导原理①②n1n2n2n2n1光纤的临界角对应光纤的入射角临界值为：渐变光纤的导光原理示意图6在渐变光纤中光线传播的轨迹近似于正弦波。光纤的分类7石英系列光纤（以SiO2为主要材料）按光纤组成材料划分多组分光纤（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82b2b2b2c2a2a2annnn1n1n1n2n2n2n30abr0abr0acbr（a）阶跃光纤（b）渐变

4、光纤（c）W型光纤9光纤的类型光纤中的重要参数10为表示光纤的集光能力大小，定义光纤波导临界入射角的正弦值为光纤的数值孔径（NA），即：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。光纤参数数值孔径的意义？？2、光纤中的模式(FiberMode)11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

5、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V12归一化频率是

6、为表征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：光纤中的重要参数其中，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。模式特性当0＜V＜2.405时,光纤中除主模（或基模）HE11模以外，其余模式均截止，此时可实现单模传输。13单模传输条件多模传输的数目对于阶跃型光纤，光纤中的传输模式数为对于渐变型光纤，光纤中的传输模式数为14截止波长是单模光纤特有的参数，对应

7、于第一高阶模的归一化截止频率Vc=2.405时的波长。4、截止波长λc光纤的损耗特性15损耗的定义当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数α表示：(单位：dB/km)损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择。损耗的种类吸收损耗：来源于光纤物质和杂质的吸收作用；散射损耗：光纤材料的不均匀性和尺寸缺陷，如瑞利散射；其他损耗：如光纤弯曲也引起散射损耗。部分光纤传感器利用了光纤的损耗特性。光纤的损耗16损耗散射损耗制作缺陷折射率分布不均匀芯-涂层界面不理想气泡、条纹、结石本征散射及其他瑞利散射布里渊散射拉曼

8、散射吸收损