1 光纖基礎

1.1 光纖的結構

• 光纖是用光透射率高的電介質(如石英、玻璃、塑料等)構成的光通路。光纖的結構如圖所示，它由折射率n1較大(光密介質)的纖芯，和折射率n2較小(光疏介質)的包層構成的雙層同心圓柱結構。
  

1.2 傳光原理

• 光的全反射現象是研究光纖傳光原理的基礎。
• 由斯涅爾定律得:$$\sin {\theta }_c=\frac{n_2}{n_1}$$

1.3 數值孔徑

• 只要使光線射入光纖端面的光與光軸的夾角${\theta }_0$小于某一定值，則入射到光纖纖芯和包層界面的${\theta }_1$角就滿足大于臨界角${\theta }_c$的條件，光線就射不出光纖的纖芯。光線在纖芯和包層的界面上不斷地產生全反射而向前傳播，光就能從光纖的一端以光速傳播到另一端。
• 光線由折射率為n0的外界介質(空氣n0=1)射入纖芯時實現全反射的臨界角(始端最大入射角)為
  
• 這里的NA就定義為數值孔徑

1.4 光纖的種類

1.4.1 按折射率分

• 有階躍型和梯度型二種
  
• 階躍型光纖纖芯的折射率不隨半徑而變；但在纖芯與包層界面處折射率有突變。梯度型光纖纖芯的折射率沿徑向由中心向外呈拋物線由大漸小，至界面處與包層折射率一致

1.4.2 按光纖的傳播模式分

• 可分為多模光纖和單模光纖二類
• 光纖傳輸的光波，可以分解為沿縱軸向傳播和沿橫切向傳播的兩種平面波成分。后者纖芯和包層的界面上會產生全反射。當它在橫切向往返一次的相位變化為2π的整數倍時，將形成駐波。形成駐波的光線組稱為模；它是離散存在的，亦即某種光纖只能傳輸特定模數的光。通常纖芯直徑較粗時，能傳播幾百個以上的模，而纖芯很細時，只能傳播一個模。
• 前者稱為多模光纖，多用于非功能型(NF)光纖傳感器；后者是單模光纖，多用于功能型(FF)光纖傳感器。

2 光調制與解調技術

• 光的調制和解調可分為：強度、相位、偏振、頻率和波長等方式。
• 光的調制過程就是將一攜帶信息的信號疊加到載波光波上；完成這一過程的器件叫做調制器。
• 在光纖傳感器中，光的解調過程通常是將載波光攜帶的信號轉換成光的強度變化，然后由光電探測器進行檢測。

2.1 強度調制與解調

• 強度調制光纖傳感器的基本原理是待測物理量引起光纖中的傳輸光光強變化。通過檢測光強的變化實現對待測量的測量。

2.2.1 微彎效應

• 利用光在微彎光纖中強度的衰減原理，將光纖夾在兩塊具周期性波紋的微彎板組成的變形器中構成調制器。
  

2.2.2 反射式

• 外調制技術的調制環節通常在光纖外部，因而光纖本身只起傳光作用。這里光纖分為兩部分：發送光纖和接收光纖。兩種常用的調制器是反射器和遮光屏。
  

2.2.3 透射式

• 發送光纖與接收光纖對準，光強調制信號加在移動的遮光板上，或直接移動接收光纖，使接收光纖只能收到發射光纖發出的部分光，從而實現光強調制。
  

2.2.4 折射率光強度調制

光纖折射率變化型
一般光纖的纖芯和包層的折射率溫度系數不同。在溫度恒定時，包層折射率n2與纖芯折射率n1之間的差值是恒定的。當溫度變化時， n2、 n1之間的差發生變化，從而改變傳輸損耗。因此，以某一溫度時接收到的光強為基準,根據傳輸功率的變化可確定溫度的變化。

漸逝波耦合型
通常，漸逝波在光疏媒質中深入距離有幾個波長時，能量就可以忽略不計了。如果采用一種辦法使漸逝場能以較大的振幅穿過光疏媒質，并伸展到附近的折射率高的光密媒質材料中，能量就能穿過間隙，這一過程稱為受抑全反射。

反射系數型
由反射系數的菲涅爾公式知道，當光波以大于臨界面(θc=sin-1n)的θ角入射到n1、n3介質的界面上時，若n3介質由于壓力或溫度的變化引起n3的微小改變，相應會引起反射系數的變化，從而導致反射光強的改變，利用這一原理可以設計出壓力或溫度傳感器。

2.2.5 吸收系數強度調制

• X射線、γ射線等輻射線會使光纖材料的吸收損耗增加，使光纖的輸出功率降低，從而構成強度調制輻射量傳感器。
  

2.2 相位調制與解調

• 相位調制光纖傳感器的基本傳感原理:通過被測能量場的作用，使敏感單模光纖內傳播的光波相位發生變化，再用干涉測量技術把相位變化轉換為光強變化，從而檢測出待測的物理量。
• 光纖中光的相位由光纖波導的物理長度、折射率及其分布、波導橫向幾何尺寸所決定。一般說，應力、應變、溫度等外界物理量能直接改變上述三個波導參數，產生相位變化，實現光纖的相位調制。
• 干涉測量儀可以檢測出相位差的變化

2.2.1 應力應變效應

• 光纖受到縱向（軸向）的機械應力作用時，將產生三個主要的物理效應，導致光纖中光相位的變化：
  • ① 光纖的長度變化——應變效應
  • ② 光纖芯的直徑變化——泊松效應
  • ③ 光纖芯的折射率變化——光彈效應
• 實現縱向、徑向應變最簡便的方法是采用一個空心的壓電陶瓷圓柱筒(PZT)，在這個圓柱筒上纏繞一圈或多圈光纖，并在其徑向或軸向施加驅動信號，由于PZT筒的直徑隨驅動信號變化，故纏繞在其上的光纖也隨之伸縮。光纖承受到應力，光波相位隨之變化。
  

2.2.2 熱脹冷縮效應

• 在所有干涉型光纖傳感器中，光纖中傳播光的相位響應φ都是與待測場中光纖的長度L成正比。這個待測場可以是變化的溫度T。
• 由于干涉型光纖傳感器中的信號臂光纖可以足夠長，因此信號光纖對溫度變化有很高的靈敏度

2.2.3 相位解調原理

• 兩束相干光（信號光束和參考光束）同時照射在一光電探測器上，光電流的幅值將與兩光束的相位差成函數關系。
• 上式表明,探測器輸出電流的變化取決于兩光束的初始相位和相位變化。可見，通過干涉現象能將兩光束之間的相位差轉化為電流變化。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的传感技术复习笔记（10）——光纤传感器的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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