1 光纖基礎(chǔ)

1.1 光纖的結(jié)構(gòu)

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

1.2 傳光原理

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

1.3 數(shù)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(chǎn)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(zhì)(空氣n0=1)射入纖芯時(shí)實(shí)現(xiàn)全反射的臨界角(始端最大入射角)為
  
• 這里的NA就定義為數(shù)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?shù)墓獠?#xff0c;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(huì)產(chǎn)生全反射。當(dāng)它在橫切向往返一次的相位變化為2π的整數(shù)倍時(shí)，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(shù)的光。通常纖芯直徑較粗時(shí)，能傳播幾百個(gè)以上的模，而纖芯很細(xì)時(shí)，只能傳播一個(gè)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(diào)制與解調(diào)技術(shù)

• 光的調(diào)制和解調(diào)可分為：強(qiáng)度、相位、偏振、頻率和波長(zhǎng)等方式。
• 光的調(diào)制過(guò)程就是將一攜帶信息的信號(hào)疊加到載波光波上；完成這一過(guò)程的器件叫做調(diào)制器。
• 在光纖傳感器中，光的解調(diào)過(guò)程通常是將載波光攜帶的信號(hào)轉(zhuǎn)換成光的強(qiáng)度變化，然后由光電探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。

2.1 強(qiáng)度調(diào)制與解調(diào)

• 強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器的基本原理是待測(cè)物理量引起光纖中的傳輸光光強(qiáng)變化。通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)量的測(cè)量。

2.2.1 微彎效應(yīng)

• 利用光在微彎光纖中強(qiáng)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(gòu)成調(diào)制器。
  

2.2.2 反射式

• 外調(diào)制技術(shù)的調(diào)制環(huán)節(jié)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(fā)送光纖和接收光纖。兩種常用的調(diào)制器是反射器和遮光屏。
  

2.2.3 透射式

• 發(fā)送光纖與接收光纖對(duì)準(zhǔn)，光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)加在移動(dòng)的遮光板上，或直接移動(dòng)接收光纖，使接收光纖只能收到發(fā)射光纖發(fā)出的部分光，從而實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制。
  

2.2.4 折射率光強(qiáng)度調(diào)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(shù)不同。在溫度恒定時(shí)，包層折射率n2與纖芯折射率n1之間的差值是恒定的。當(dāng)溫度變化時(shí)， n2、 n1之間的差發(fā)生變化，從而改變傳輸損耗。因此，以某一溫度時(shí)接收到的光強(qiáng)為基準(zhǔn),根據(jù)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(zhì)中深入距離有幾個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，能量就可以忽略不計(jì)了。如果采用一種辦法使?jié)u逝場(chǎng)能以較大的振幅穿過(guò)光疏媒質(zhì)，并伸展到附近的折射率高的光密媒質(zhì)材料中，能量就能穿過(guò)間隙，這一過(guò)程稱為受抑全反射。

反射系數(shù)型
由反射系數(shù)的菲涅爾公式知道，當(dāng)光波以大于臨界面(θc=sin-1n)的θ角入射到n1、n3介質(zhì)的界面上時(shí)，若n3介質(zhì)由于壓力或溫度的變化引起n3的微小改變，相應(yīng)會(huì)引起反射系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致反射光強(qiáng)的改變，利用這一原理可以設(shè)計(jì)出壓力或溫度傳感器。

2.2.5 吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制

• X射線、γ射線等輻射線會(huì)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(gòu)成強(qiáng)度調(diào)制輻射量傳感器。
  

2.2 相位調(diào)制與解調(diào)

• 相位調(diào)制光纖傳感器的基本傳感原理:通過(guò)被測(cè)能量場(chǎng)的作用，使敏感單模光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再用干涉測(cè)量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，從而檢測(cè)出待測(cè)的物理量。
• 光纖中光的相位由光纖波導(dǎo)的物理長(zhǎng)度、折射率及其分布、波導(dǎo)橫向幾何尺寸所決定。一般說(shuō)，應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等外界物理量能直接改變上述三個(gè)波導(dǎo)參數(shù)，產(chǎn)生相位變化，實(shí)現(xiàn)光纖的相位調(diào)制。
• 干涉測(cè)量?jī)x可以檢測(cè)出相位差的變化

2.2.1 應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)

• 光纖受到縱向（軸向）的機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，將產(chǎn)生三個(gè)主要的物理效應(yīng)，導(dǎo)致光纖中光相位的變化：
  • ① 光纖的長(zhǎng)度變化——應(yīng)變效應(yīng)
  • ② 光纖芯的直徑變化——泊松效應(yīng)
  • ③ 光纖芯的折射率變化——光彈效應(yīng)
• 實(shí)現(xiàn)縱向、徑向應(yīng)變最簡(jiǎn)便的方法是采用一個(gè)空心的壓電陶瓷圓柱筒(PZT)，在這個(gè)圓柱筒上纏繞一圈或多圈光纖，并在其徑向或軸向施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由于PZT筒的直徑隨驅(qū)動(dòng)信號(hào)變化，故纏繞在其上的光纖也隨之伸縮。光纖承受到應(yīng)力，光波相位隨之變化。
  

2.2.2 熱脹冷縮效應(yīng)

• 在所有干涉型光纖傳感器中，光纖中傳播光的相位響應(yīng)φ都是與待測(cè)場(chǎng)中光纖的長(zhǎng)度L成正比。這個(gè)待測(cè)場(chǎng)可以是變化的溫度T。
• 由于干涉型光纖傳感器中的信號(hào)臂光纖可以足夠長(zhǎng)，因此信號(hào)光纖對(duì)溫度變化有很高的靈敏度

2.2.3 相位解調(diào)原理

• 兩束相干光（信號(hào)光束和參考光束）同時(shí)照射在一光電探測(cè)器上，光電流的幅值將與兩光束的相位差成函數(shù)關(guān)系。
• 上式表明,探測(cè)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(jiàn)，通過(guò)干涉現(xiàn)象能將兩光束之間的相位差轉(zhuǎn)化為電流變化。

總結(jié)

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?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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