第6章 光纤传感技术 16 28 51

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纤芯（n1） 纤芯（
∆越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传 越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，
光纤种类繁多，但最重要的也是最基本的有三种： 光纤种类繁多，但最重要的也是最基本的有三种： 突变型（SI）多模光纤； 突变型（SI）多模光纤； 横截面 输入脉冲 折射率分布 渐变型（GI）多模光纤； A 渐变型（GI）多模光纤； r
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① 光纤端面球透镜耦合 2a n 2a γ 柱透镜耦合(最大约50%左右 左右) ② 柱透镜耦合(最大约250%左右) a 2a n θ′ 凸透镜耦合(一般在50%左右 左右) ③ 凸透镜耦合(一般在50%左右) γ 2a γ 2a n 自聚焦光纤(一般在50%左右 ④ 自聚焦光纤(一般在50%左右) θ 左右)
引
言
光纤技术理论的不断完善， 光纤技术理论的不断完善，光纤制造工艺的日臻 成熟，各种类型的光纤元器件逐步商品化， 成熟，各种类型的光纤元器件逐步商品化，为光纤传 感技术的发展奠定了理论基础和物质基础。 感技术的发展奠定了理论基础和物质基础。 由于光纤有良好的传输光的特性( 由于光纤有良好的传输光的特性(衰减系数已达到 0.14dB/km) 有比微波高6个数量级的宽频带 0.14dB/km)，有比微波高6个数量级的宽频带，再加上 宽频带， 光纤本身就是一种敏感元件，光在光纤中传输时振幅 光纤本身就是一种敏感元件，光在光纤中传输时振幅 相位、偏振态等将随着检测对象的变化而变化 等将随着检测对象的变化而变化， 、相位、偏振态等将随着检测对象的变化而变化，因 光纤可以用于制作优良的传感器。 此，光纤可以用于制作优良的传感器。 而今，光纤传感技术已广泛应用于国防军事、航 而今，光纤传感技术已广泛应用于国防军事、 空航天、工矿农业、能源环保、生物医学、 空航天、工矿农业、能源环保、生物医学、计量测试 自动控制和家用电器等各种领域。 、自动控制和家用电器等各种领域。
F 树脂 G a）V型槽法 b）套管法 F—裸光纤 G—V型槽 B—密封套管 B G G c） 热融法 粘接剂 F P 放电
光纤永久性连接
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2．光纤的光耦合 光纤的光耦合是指把光源发出的光功率最大限度 地输送进光纤中去。这是一个比较复杂的问题， 地输送进光纤中去。这是一个比较复杂的问题，涉及 光源发出的光功率的空间分布、光源发光面积、 光源发出的光功率的空间分布、光源发光面积、光纤 的收光特性和传输特性等等。 的收光特性和传输特性等等。 1）直接耦合 所谓直接耦合， 所谓直接耦合，就 是把一根平端面的光纤 直接靠近光源发光面放 置。一般耦合效率大约 20%。 为20%。
h）分布耦合型
L
激光器部分 c）半反半透型 耦合部分 i）部分反射型
f）波导耦合型
光纤分光器与合光器典型结构
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6.1.6 光纤传感技术 光纤在通信技术中用于长距离传递信息， 光纤在通信技术中用于长距离传递信息，人们很快 发现通信质量易受干扰的一个原因是光纤对外界环境因 素十分敏感，如强度(振幅) 相位、偏振态、波长(频率) 素十分敏感，如强度(振幅)、相位、偏振态、波长(频率) 等的变化。这一现象启发人们提出了光纤传感的概念。 等的变化。这一现象启发人们提出了光纤传感的概念。 光纤传感器可以分为传感型 传光型两大类 光纤传感器可以分为传感型与传光型两大类: 传感型与 两大类: 强度( 利用外界物理因素改变光纤中光强度 振幅) 利用外界物理因素改变光纤中光强度(振幅)、相位 偏振态或波长(频率) 、偏振态或波长(频率)，从而对外界因素进行计量和数 据传输的，称为传感型 功能型)光纤传感器。 传感型( 据传输的，称为传感型(或功能型)光纤传感器。它具有 感合一的特点 信息的获取和传输都在光纤之中。 的特点， 传、感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中。 传光型( 非功能型) 传光型(或非功能型)光纤传感器是指利用其它敏感 元件测得的物理量，由光纤进行数据传输， 元件测得的物理量，由光纤进行数据传输，关键部件是 光转换敏感元件。它的特点是充分利用现有的传感器， 光转换敏感元件。它的特点是充分利用现有的传感器， 便于推广应用。 便于推广应用。
3 ψc θ θc 2 o 3 l θ1 L x 纤芯n 纤芯n1 包层n 包层n2 z 2 ψ1 y 1
突变型多模光纤的光线传播原理
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经过简单的运算，可得： 经过简单的运算，可得：
NA = n0 sin θc = n − n ≈ n1 2∆
2 1 2 2
设∆n＝0.01，n1＝1.5，得到NA＝0.21或θc＝12.2° 0.01， 1.5，得到NA＝0.21或 12.2° NA表示光纤接收和传输光的能力，对于无损耗光 NA表示光纤接收和传输光的能力， 表示光纤接收 内的入射光都能在光纤中传输。 NA越大 越大， 纤，在θc 内的入射光都能在光纤中传输。 NA越大，光 纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高; 纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高; 纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。 纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。 NA越大 经光纤传输后产生的信号畸变越大， 越大， 但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大， 因而限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合 因而限制了信息传输容量。 选择适当的NA。 ，选择适当的NA。
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⑦ 红外材料光纤等； 红外材料光纤等；
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按传输模式可分为： 传输模式可分为： 可分为 ①单模光纤； 单模光纤； ②多模光纤； 多模光纤； 按工作波长可分为： 工作波长可分为： 可分为 光纤； ①短波长（0.8-0.9 µm）光纤； 短波长（0.8②长波长（1.0-1.7 µm）光纤； 光纤； 长波长（1.0光纤； ③超长波长（>2 µm）光纤； 超长波长（ 按照光纤横截面上折射率的分布可分为： 按照光纤横截面上折射率的分布可分为： 折射率的分布可分为 ①阶跃型（突变型）光纤； 阶跃型（突变型）光纤； ②渐变型（自聚焦）光纤。 渐变型（自聚焦）光纤。
脉冲的畸变情况比较如下: 脉冲的畸变情况比较如下:
r ～10µｍ 10µ （c） 125µ 125µｍ n Ai
t Ao
t
t
t
a）突变型多模 c）单模光纤
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6.1.4 光纤的数值孔径 数值孔径是光纤传输光线的重要特征参数， 数值孔径是光纤传输光线的重要特征参数， 用来计量光纤的受光能力 受光能力。 用来计量光纤的受光能力。
T/4 T/4
端面球透镜耦合示意 z
圆柱透镜耦合 自聚焦透镜耦合
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3．光纤合光器与分光器
RL L RL S RL
RL— 自聚焦透镜 RL— S——半反半透镜 ——半反半透镜 L—— 透镜
a）光束聚焦型 RL RL
d）半反半透型
g）部分反射型
b）光束聚焦型 L L M
e）波导耦合型 光纤
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6.1.3 光纤的结构 光纤是由纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝; 光纤是由纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝; 包层为光的传输提供反射面和光隔离， 包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的 为光的传输提供反射面和光隔离 机械保护作用; 机械保护作用; 纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低， 纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能 的折射率比包层稍高 量主要在纤芯内传输; 量主要在纤芯内传输; 纤芯和包层的相对折射率差∆ = (n 纤芯和包层的相对折射率差n2） (n1−n2)/n1的典型值， )/n 的典型值， 包层（ 包层（∆ 一般单模光纤为0.3%~0.6%，多模光纤为1%~2%。 一般单模光纤为0.3%~0.6%，多模光纤为1%~2%。 输容量却越小。 输容量却越小。
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§6.1 光纤技术概述
6.1.1 基本概念 光纤是 光导纤维”的简称， 光纤是“光导纤维”的简称，是一种介质圆柱光波 导. 所谓光波导 所谓光波导是指把光形式的电磁波能量利用全反 光波导是指把光形式的电磁波能量利用全反 射原理约束并引导光波在其内部或表面附近沿轴线方 向传播的传输介质 向传播的传输介质，通常以其截面形状分为平板波导 传输介质， 、矩形波导、圆柱波导等。 矩形波导、圆柱波导等。 光纤传感器就是利用光纤将待测量对光纤内传输 光纤传感器就是利用光纤将待测量对光纤内传输 的光波参量进行调制 的光波参量进行调制，并对被调制过的光波信号进行 调制， 解调检测，从而获得待测量值的一种装置。 解调检测，从而获得待测量值的一种装置。
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6.1.5 光纤的连接与耦合 1. 光纤的连接 光纤与光源或探测器耦合时，为了提高耦合效率， 光纤与光源或探测器耦合时，为了提高耦合效率， 光纤端面应该抛光成镜面 且垂直于纤心轴线。 抛光成镜面， 光纤端面应该抛光成镜面，且垂直于纤心轴线。 进行这种光线端面切割 切割的简便方法是使用光纤切割 进行这种光线端面切割的简便方法是使用光纤切割 刀具，切记不可用一般剪钳来切光纤， 刀具，切记不可用一般剪钳来切光纤，因为这样会因石 英的脆性而断裂成高低不平的断面，无法使用。 英的脆性而断裂成高低不平的断面，无法使用。
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S 2θc 2θ
S—光源 θ—光源发光张角 θc—光纤接收角
光纤与光源直接耦合
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2）透镜耦合 透镜耦合方法可以提高耦合效率，也可能不提高, 透镜耦合方法可以提高耦合效率，也可能不提高, 这里有一个耦合效率准则概念。 耦合效率准则概念 这里有一个耦合效率准则概念。 对于lambet型光源 例如发光二级管) 型光源( 对于lambet型光源(例如发光二级管)，不管中间加 什么样的系统，它的耦合效率不会超过一个极大值: 什么样的系统，它的耦合效率不会超过一个极大值:
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6.1.2 光纤的分类
光纤的种类很多，从不同的角度出发， 光纤的种类很多，从不同的角度出发，有不同的 分 类，通常有以下四种分类方式： 通常有以下四种分类方式： 按光纤材料可分为： 按光纤材料可分为： 材料可分为 ① 石英系列光纤； 石英系列光纤； ② 多组分玻璃光纤； 多组分玻璃光纤； ③ 氟化物光纤； 氟化物光纤； ④ 塑料光纤； 塑料光纤； ⑤ 液芯光纤； 液芯光纤； ⑥ 晶体光纤； 晶体光纤；