论文光纤传感技术

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1、光纤传感技术（学院物理与电气工程学院安徽233）指导教师：摘要：光纤传感技术是一门新的科学技术，也是信息社会的一个重要技术基础,在当代高科技中占有十分重要的位置。该技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术和密集型前沿技术。本课题主要了解光纤导光的基本原理及其在传感技术上应用的物理基础，重点研究光纤传感器敏感的物理虽:、光纤传感器的基本类型及其相关应用。关键词：光纤传感技术，光纤传导，光纤传感器，传感器类型，传感器应用。0引言光纤传感技术是二十世纪七十年代左右随着光纤通信技术的萌芽而迅速建立起來的

2、，通过以光波这-载体并光纤这一媒质，起到具有感知与信号传输的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。现阶段，光纤传感领域在世界中的发展人致分为两大方面：应用开发与相关原理性研究。伴随光纤技术的不断成熟，实用化光纤传感器的开发成为整个领域发展的基础和关键。当前，小国光纤传感器研究人多数基于于科研机构与大专院校等，但依旧未完成由理论实验向产品实践化的转变过程。其屮相对成熟的技术有：清华大学光纤传感中心和总后共同研究开发的温度测量系统和光纤油罐液位，已装配运行数年；北京航空航天大学和总装合作研制的光纤陀螺系统，现在的技术指标

3、是0.2°/hr。因为光纤传感器未能超越产品化的限制，并且还未像光纤通信产业具有指数型增长的趋势，许许多多和F1常住活紧密联系的传感器应用产品（如交通监管、安全警报装宜等）和精密的测试仪器仍然依靠于进口，亟需拓展的领域非常广阔。1光纤导光的基本原理1.1光纤的结构和分类光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称山。多层同轴圆柱体是其典型代表性结构，如图1所示，自外向内为涂覆层、纤芯与纤芯。重要部分是包层与纤芯，其中纤芯是由髙度透明材料制成，构成光波传输通道；包层与纤芯的折射率相比略小，可以使光波相对稳定的进行传导。纤芯粗细与材料加上包层的折射率，对光纤的特性起到决定性作用。涂覆层不仅起到了保护光

4、纤不受环境因素的侵蚀、机械的擦伤，同时还乂提高了光纤的柔韧性，具有延长光纤使用寿命的作用。包层涂敷层纤芯\图1光纤的结构根据不同折射率在横截面上的分布形状进行•划分，有渐变型（梯度型）光纤和阶跃型光纤两类。渐变型光纤纤芯的折射率随着半径的增加,依照一定的规律（如双正割Illi线、平方律等）逐渐减少,纤芯的折射率不是线性常数。阶跃型光纤在纤芯和包层交界处的折射率呈阶梯形突变，纤芯的折射率和包层的折射率是均匀常数。根据光纤小传输模式不同，主要有单模光纤和多模光纤两种。单模光纤仅传输一种模式，在4“加〜10“血区间内，通常纤芯的直径较细。但是多模光纤可传输多种模式，纤芯直径较粗，主流应用尺寸约

5、为50pmo按制造光纤所使用的材料进行区分，塑料包层石英纤芯、多组分玻璃纤维、有石英系列、全塑光纤等四种。在光通信中以石英光纤的使用为主，后面所说的光纤也主要是指石英光纤。此外，若按工作波长來进行区分，还可以分为长波长光纤和短波长光纤。单模光纤以采用阶跃折射率分布为主，多模光纤可以采用阶跃折射率分布与渐变折射率分布。据此,石英光纤大体可以分为单模阶跃折射率光纤和多模阶跃、渐变折射率光纤等儿类。1.2光纤中的射线光学基本理论光波的波长相对光纤的几何尺寸有相当大的差距，根据射线光学理论的观点进行光纤内光线的研究，可直观认识光纤小光的传播机理和一些必需理念。本节运用射线光学理论对渐变型及阶跃型多

6、模光纤的传输特性进行探究。射线光学的基本关系式遵其折射和反射的Fresnel定律⑵。光在分层介质小的传播，如图2所示。图小包层的折射率为〃2,纤芯的折射率为厲，设厲＞心。当光线以较小的G角入射到介质界面时，部分光进入了纤芯并产牛折射，而部分光被反射。它们之间的相对人小取决于这两种介质的折射率人小。图2子午光线在跃迁光纤中的传输根据Fresnel定律可得:反射定律：仇=q;折射定律：皿L=£“sin仇n2当n}＞n2时，逐渐增人G，进入纤芯的折射光线近一步趋向于界面，直到0趋于90°。与此同时,进入纤芯的光照强度明显减小且趋于0,而反射光照强度接逐渐接近入射光照强度。在02=90°的极值时，

7、对应的q角被定义为临界/fjeco因为sin90°=i,所以当临界角q＞伏.时，入射光线将会全反射。需关注的还有，在光线由折射率人的介质进入到折射率小的介质时（厲＞/12），才能在界面全反射。/、Oc=arcsin乞5丿2光纤传感器敏感的物理量光纤传感器可分为T涉型和非T涉型，可通过相位，频率，强度和偏振调制等方式实现对不同物理量的测量⑶，具体内容如表1所示：表1光纤传感器的分类和测量的物理量传感器光学现象被测量光纤分类