第8章 光纤传感技术基础 - 燕山大学教务在线
传热学课程简介-燕山大学教务在线.
传热学教学大纲（04级后新教学计划）课程名称：传热学课程编码：英文名称：heat transfer学时：24 学时学分： 1.5学分开课学期：第五学期适用专业：机械类课程类别：必修课程性质：技术基础课先修课程：高等数学、大学物理教材：《传热学》张兴中编燕山大学校内印刷一、课程的性质及任务：本课程是机械类专业的主要专业技术基础课。
课程教学所要达到的目的是：1、了解热量传递的基本方式。
2、掌握温度场、传热量的基本分析方法和计算方法。
3、在实验技能方面比较熟练地掌握常用热工测试仪器的使用方法与基本热工参数的测试技术。
二、课程的基本内容：1、绪论传热学的任务；热量传递的三种基本形式：热传导、热对流、热辐射；传热过程。
2、导热理论和一维稳态导热傅里叶定律及导热系数：介绍导热理论的基本概念、傅里叶定律及导热系数；导热微分方程及单值性条件：推导导热微分方程、介绍单值性条件。
几个典型的稳态导热问题：单层平壁的稳态导热、多层平壁的稳态导热、无限长圆筒壁的稳态导热、球壁的稳态导热、通过等截面棒的稳态导热的温度场及热流量计算方法以及各种肋片散热量的计算。
3、非稳态导热非稳态导热过程的特点：介绍非稳态导热过程的特点及非稳态导热过程的三个阶段。
无限大平板的加热或冷却：应用分离变量法对无限大平板非稳态导热的温度场及热流量的计算。
半无限大物体的非稳态导热：介绍求解思想。
有限大物体的非稳态导热：介绍求解思想。
集总参数法：介绍基本思想及温度场、热流量的求解方法。
4、导热问题的数值解法有限差分法的基本原理：一阶、二阶导数的向前、向后、中心差分公式。
稳态导热问题的差分表达式：二维问题内部节点的差分方程式、边界上节点的差分方程式。
非稳态导热问题的有限差分法：一维问题内部节点的差分方程式、边界上节点的差分方程式。
线性代数方程组的求解：直接法、迭代法。
计算机求解导热问题简介：二维稳态问题、一维非稳态问题。
5、对流换热对流换热概述：牛顿冷却公式、影响对流换热的因素。
《光纤技术及应用》课程教学大纲
光纤技术及应用Optical Fiber Technology and Appliations一、课程基本情况课程类别：专业任选课程课程学分：2学分课程总学时：32学时，其中讲课：32学时，实验（含上机）：0学时，课外0学时课程性质：选修开课学期：第5学期先修课程：大学物理、高等数学、线性代数、电磁场与电磁波等适用专业：光电信息科学与工程及相关专业本科生教材：石顺祥、孙艳玲等编著《光纤技术及应用》（第一版），华中科技大学出版社，2009 年。
开课单位：物理与光电工程学院二、课程性质、教学目标和任务光纤技术及应用主要以光的电磁理论为基础，系统地讲解介质波导的基本知识，包括波导中的射线光学理、模式及模式耦合。
光纤的基本原理及传输特性、光纤系统中光源、光探测器、光隔离器和光定向耦合器等光纤元器件的基本原理和它们的特征参量，以及光纤的制作，并在此基础上介绍了光纤通信技术、光纤传感技术及系统的相关器件的基础知识。
本课程的授课对象为光电信息科学与工程专业本科生，为选修课，通过本课程的学习使学生了解波导的基本知识，掌握光波在光纤中的传输原理和传输特性，以及实用的光纤传输器件和光纤通信，光纤传感按技术的基础理论及应用，具备一定的实践动手能力，对学生以后其他课程的学习就业开展和国家通信事业建设都具有重要的意义。
三、教学内容和要求第1章.光传输的理论基础（2学时）绪论麦克斯韦方程和波动方程1.1平面光涉及其在介质界面上的反射和折射程函方程与光线方程⑴了解：了解光纤技术的起源和开展及应用，光的电磁理论。
⑵理解：麦克斯韦方程和其边界条件及光波的波动方程，全反射时的故事■哈恩斯位移，局部平面波的概念,理解处理光传输问题的两种理论方法:射线光学方法和几何光学方法。
⑶掌握:平面光涉及其在介质界面上的反射和折射定律，尤其是全反射，及全反射时的相移。
第2章.平板介质波导（3课时）理想平板波导的射线光学理论：均匀及非均匀平面光涉及在平板波导中的传输2.1理想平板波导的波动光学分析：平板波导中的、导模、辐射模、泄漏模、消失模模式的正交性和完备性2.2非理想波导中的模式耦合：周期性平板波导及波导问的模式耦合了解：。
《光纤传输技术》教案【】
《光纤传输技术》教案【】光纤传输技术教案【完整版】介绍本教案旨在介绍光纤传输技术的基础知识和应用，以帮助学生了解光纤传输技术的原理、优势和应用领域。
通过本教案的研究，学生将能够理解光纤传输技术在网络通信、数据传输和信号传递中的重要作用。
教学目标1. 了解光纤传输技术的原理和基本组成；2. 熟悉光纤传输技术的优点和应用领域；3. 掌握光纤传输技术在网络通信和数据传输中的应用；4. 培养学生的分析和解决问题的能力；5. 激发学生对光纤传输技术的兴趣和探索精神。
教学内容第一节：光纤传输技术简介1. 光纤传输技术的定义和基本原理；2. 光纤传输技术的优点和特点；3. 光纤传输技术的应用领域和发展前景。
第二节：光纤传输设备和组成1. 光纤的基本结构和材料；2. 光纤传输设备的基本组成和分类；3. 光纤传输设备的工作原理和功能。
第三节：光纤传输技术在网络通信中的应用1. 光纤通信系统的结构和组成；2. 光纤通信系统的传输特点和性能指标；3. 光纤传输技术在光纤通信中的应用案例。
第四节：光纤传输技术在数据传输中的应用1. 光纤传输技术在数据中心的应用；2. 光纤传输技术在高速数据传输中的应用；3. 光纤传输技术在互联网和云计算中的应用。
第五节：光纤传输技术的未来发展趋势1. 光纤传输技术的发展历程和趋势；2. 光纤传输技术在新兴领域的应用；3. 光纤传输技术的挑战和发展前景。
教学方法1. 讲授法：通过讲解光纤传输技术的基础知识和应用案例，帮助学生理解和掌握相关概念和原理。
2. 实践法：组织学生进行实际操作，让他们亲自体验光纤传输设备的使用过程，提高他们的实践能力。
3. 讨论法：组织小组讨论和问题解答，鼓励学生积极参与，激发他们的思维能力和研究兴趣。
教学评价1. 课堂参与度：通过观察学生的课堂参与情况，评价他们的研究兴趣和积极性。
2. 作业评价：通过批改学生的作业，评估他们对光纤传输技术的理解和应用能力。
3. 实践评估：通过学生的实际操作和实验结果，评估他们的实践能力和问题解决能力。
《光纤传输技术》课程教案
《光纤传输技术》课程教案一、教学目标1. 让学生了解光纤传输技术的基本概念、原理和特点。
2. 使学生掌握光纤通信系统的构成、工作原理和应用领域。
3. 培养学生对光纤传输技术的兴趣和好奇心，提高其创新意识和实践能力。
二、教学内容1. 光纤传输技术概述1.1 光纤通信的发展历程1.2 光纤通信的优势与劣势1.3 光纤通信的应用领域2. 光纤的原理与特性2.1 光纤的导光原理2.2 光纤的传输特性2.3 光纤的类型与选用3. 光纤通信系统构成3.1 光源与光发射器3.2 光接收器与光检测器3.3 光纤与光纤通信设备4. 光纤通信技术应用4.1 光纤通信在传输系统中的应用4.2 光纤通信在接入网中的应用4.3 光纤通信在互联网中的应用5. 光纤传输技术的发展趋势5.1 高速光纤通信技术5.2 光纤通信在5G及未来通信技术中的应用5.3 光纤传输技术在物联网中的应用三、教学方法1. 采用讲授法，讲解光纤传输技术的基本概念、原理和特点。
2. 运用案例分析法，分析光纤通信系统的构成和应用领域。
3. 开展小组讨论，探讨光纤传输技术的发展趋势。
4. 利用实验演示，让学生亲身体验光纤通信技术的实际应用。
四、教学准备1. 教材：《光纤传输技术》2. 课件：涵盖教学内容的PPT3. 实验设备：光纤通信实验装置4. 辅助材料：相关论文、案例、新闻报道等五、教学评价1. 课堂参与度：评估学生在课堂上的发言、提问和讨论情况。
2. 作业完成情况：评估学生课后作业的完成质量。
3. 实验报告：评估学生在实验过程中的操作技能和分析能力。
4. 课程论文：评估学生对光纤传输技术发展趋势的认知和分析能力。
5. 期末考试：评估学生对课程知识的掌握程度。
六、教学安排1. 课时：共计32课时，每课时45分钟。
2. 授课方式：理论课与实验课相结合。
3. 授课进度：第1-8课时：光纤传输技术概述及光纤的原理与特性第9-16课时：光纤通信系统构成与光纤通信技术应用第17-24课时：光纤传输技术的发展趋势第25-32课时：实验操作与实践七、教学策略1. 注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力。
大学物理实验光纤传感实验讲义
⼤学物理实验光纤传感实验讲义光纤传感实验光纤特性的研究和应⽤是20世纪70年代末发展起来的⼀个新的领域。
光纤传感器件具有体积⼩、重量轻、抗电磁⼲扰强、防腐性好、灵敏度⾼等优点；⽤于测量压⼒、应变、微⼩折射率变化、微振动、微位移等诸多领域。
特别是光纤通信已经成为现代通信⽹的主要⽀柱。
光纤通信的发展极为迅速，新的理论和技术不断产⽣和发展。
因此，在⼤学物理实验课程中开设“光纤特性研究实验”已经成为培养现代⾼科技⼈才的必然趋势。
传感器是信息技术的三⼤技术之⼀。
随着信息技术进⼊新时期，传感技术也进⼊了新阶段。
“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点已被全世界所公认，因此，传感技术受到各国的重视，特别是倍受发达国家的重视，我国也将传感技术纳⼊国家重点发展项⽬。
光纤特性研究和应⽤是⼀门综合性的学科，理论性较强，知识⾯较⼴，可以激发学⽣对理论知识的学习兴趣，培养学⽣的实践动⼿和创新能⼒，光纤⼲涉系列实验教学的开设就显得⾮常重要了。
基于这个⽬的，我们对光纤⼲涉实验教学进⾏了初步探索，在此基础上，该实验还可以进⾏⼀些设计性及研究性实验。
⼀、实验⽬的1.了解光纤与光源耦合⽅法的原理；2.理解M—Z⼲涉的原理和⽤途；了解传感器原理；3.实测光纤温度传感器实验数据。
⼆、实验仪器激光器及电源，光纤夹具，光纤剥线钳，激光功率计，五位调整架，显微镜，光纤传感实验仪，CCD及显⽰器，等等三、实验原理(1)光纤的基础知识光纤的基本结构如图1，它主要包括三层（⼯程上有时有四层或五层，图中是四层结构）：1.纤芯；2.包n 层；3.起保护作⽤的涂敷层；4.较厚的保护层。
纤芯和包层的折射率分别是1和2n ，如图2，为了使光线在光纤中图1.光纤剖⾯图传播，纤芯的折射率（1n ）必须⽐包层(2n )的折射率⼤，这样才会产⽣全反射。
光线1以θ⾓⼊射在光纤端⾯上，光线经折射后进⼊光纤，以?⾓⼊射到纤芯和包层间的光滑界⾯上。
只要我们选择适当的⼊射⾓θ，总可以使?⾓⼤于临界⾓m ?，m ?的⼤⼩由公式)/arcsin(12n n m =?决定，使光线1在界⾯上发⽣全反射。
光纤传感原理与应用 尚盈 电子课件 第八章
8.1 光纤传感技术在电力领域的应用
当环境风力很小时，风引起了光缆的震动，塔的震动相对于线路的震动就小的多，因此可以看出四个杆 塔的位置，如图箭头所示，并且与表 1 中塔的间距相对应。
8.1 光纤传感技术在电力领域的应用
下图为敲击测试室与 3 号杆塔之间的悬空光缆产生的图形。在图中可以明显的看到测试室到 3 号杆 塔的光缆震动情况。
ห้องสมุดไป่ตู้
第八章：模式识别在分布式光纤声振技术上的应用
光纤光栅是利用光纤材料自然的光敏 特性沿纤芯轴向形成的一种折射率周期性 分布的结构,这种特殊的结构周期性分布能 改变某一特定波长的光的传输路径,使光的 传播方向发生改变,相当于在光纤中形成一 定带宽的滤波器或反射镜。若纤芯折射率 或光栅周期受外界温度场的影响发生改变, 就会导致光纤光栅的反射波长变化。由于 光纤布拉格光栅波长随温度变化而变化,所 以通过检测光栅反射光的波长变化,可以测 得光栅处的温度变化。变压器光纤光栅绕 组温度监测系统结构如图所示。
变压器光纤局部放电监测系统结构
8.1 光纤传感技术在电力领域的应用
电缆沿圆周方向覆冰不均匀的架空导线在侧向风力作用下产生的低频、大幅度自激振动现象。导 线舞动时，会在一档导线内形成一个、两个或三个波腹的驻波或行波，导线主要呈垂直运动，有时也呈 椭圆运动，椭圆长轴在垂直方向或偏离垂直方向，有时还伴有导线扭转。垂直振动的频率约为 0.1～1 Hz，振幅在几十厘米到几米之间。使用分布式光纤声波系统测试电缆舞动的原理杆塔上布有 OPGW 光 缆（Optical Fiber Composite Overhead GroundWire，也称光纤复合架空地线）。由于风会引起电缆和 OPGW 光缆的舞动，因此将 DAS 连接 OPGW 光缆可以测试高压输电线的舞动。
光纤传感教案
光纤传感教案教案标题：光纤传感教案教学目标：1. 了解光纤传感的基本原理和应用领域；2. 掌握光纤传感的工作原理和传感原理；3. 学会设计并实施一个简单的光纤传感实验；4. 培养学生的实验设计能力和问题解决能力。
教学准备：1. 教师：熟悉光纤传感的基本知识，准备相关实验设备和材料；2. 学生：预习相关光纤传感的基本知识。
教学过程：引入：1. 向学生介绍光纤传感的概念和应用领域，如环境监测、医疗诊断、工业控制等；2. 引导学生思考光纤传感的优势和局限性。
知识讲解：1. 讲解光纤传感的工作原理：光纤传感是利用光的传输特性实现信号的传感和测量；2. 讲解光纤传感的传感原理：根据光纤传感器的不同类型，讲解其传感原理，如光纤光栅传感器、光纤干涉传感器等；3. 讲解光纤传感的应用案例，以增加学生对光纤传感技术的兴趣和理解。
实验设计：1. 分组让学生设计一个简单的光纤传感实验；2. 学生根据所学知识，选择合适的光纤传感器和实验方案；3. 学生进行实验，并记录实验数据；4. 学生分析实验数据，总结实验结果。
讨论与总结：1. 学生展示实验结果，并进行讨论和交流；2. 教师引导学生总结实验过程中的问题和解决方法；3. 教师对学生的实验设计和实验结果进行评价和指导。
拓展练习：1. 提供一些与光纤传感相关的拓展问题，让学生进行思考和解答；2. 鼓励学生进行进一步的研究和探索，拓宽对光纤传感的理解和应用。
作业布置：1. 要求学生撰写一份关于光纤传感的实验报告，包括实验目的、实验步骤、实验结果和结论；2. 鼓励学生进行光纤传感相关的进一步阅读和研究，撰写一份小论文或进行口头报告。
教学评价：1. 对学生的实验报告进行评分，评价其实验设计和实验结果的准确性和完整性；2. 对学生的拓展练习和研究成果进行评价，鼓励学生的创新思维和问题解决能力。
教学延伸：1. 鼓励学生参加相关的科技竞赛或项目，提高其实践能力和科研素养；2. 组织学生进行光纤传感技术的实际应用实践，加深对光纤传感的理解和实际应用能力。
《光纤通信技术》课程教学大纲、教案、课程日历
《光纤通信技术》课程教学大纲、教案、课程日历第一章：光纤通信概述1.1 光纤通信的定义和发展历程1.2 光纤通信的优势和局限性1.3 光纤通信的应用领域1.4 光纤通信的发展趋势第二章：光纤的基础知识2.1 光纤的组成和结构2.2 光纤的种类和特性2.3 光纤的传输原理2.4 光纤的耦合和衰减第三章：光纤通信系统的组成3.1 光源和光发射器3.2 光接收器和解调器3.3 光放大器和光纤放大器3.4 光波分复用器和光开关第四章：光纤通信系统的性能评估4.1 系统性能指标4.2 信道容量和误码率4.3 系统噪声和损耗4.4 系统优化和升级第五章：光纤通信技术的应用5.1 光纤通信在通信领域的应用5.2 光纤通信在数据传输中的应用5.3 光纤通信在有线电视中的应用5.4 光纤通信在互联网和数据中心中的应用第六章：光纤通信系统的传输技术6.1 直接序列扩频传输技术6.2 频率分割复用传输技术6.3 时间分割复用传输技术6.4 波长分割复用传输技术第七章：光纤通信系统的网络架构7.1 点对点光纤通信网络7.2 星型光纤通信网络7.3 环型光纤通信网络7.4 光纤通信网络的规划和设计第八章：光纤通信系统的保护与恢复8.1 光纤通信系统的保护技术8.2 光纤通信系统的恢复技术8.3 故障检测与定位技术8.4 系统冗余设计第九章：光纤通信技术的最新进展9.1 光量子通信技术9.2 光纤激光器技术9.3 光纤传感器技术9.4 光纤通信技术的未来发展趋势第十章：实验与实践10.1 光纤通信系统的基本实验10.2 光纤通信系统的性能测试与评估10.3 光纤通信网络的搭建与维护10.4 实际案例分析与讨论第十一章：光纤通信系统的维护与管理11.1 光纤通信设备的维护与管理11.2 光纤通信网络的监测与维护11.3 光纤通信系统的安全与保护11.4 光纤通信技术的标准化与规范第十二章：光纤通信技术在特定领域的应用12.1 光纤通信在军事通信领域的应用12.2 光纤通信在航空航天领域的应用12.3 光纤通信在海洋探测领域的应用12.4 光纤通信在医疗健康领域的应用第十三章：光纤通信技术的国际化发展13.1 国际光纤通信技术的标准与协议13.2 跨国光纤通信网络的构建与运营13.3 国际合作与竞争在光纤通信领域的影响13.4 光纤通信技术在全球范围内的普及与发展第十四章：光纤通信技术的创新与研发14.1 新型光纤材料与技术的研发14.2 光纤通信设备的创新设计14.3 光纤通信系统的智能化与自动化14.4 光纤通信技术在未来的挑战与机遇第十五章：课程总结与展望15.1 光纤通信技术课程回顾15.2 光纤通信技术的关键问题和挑战15.3 光纤通信技术的未来发展趋势15.4 学生实践和研究的方向与建议重点和难点解析本文档详细介绍了《光纤通信技术》课程的教学大纲、教案和课程日历，涵盖了光纤通信的概述、基础知识、系统组成、性能评估、应用领域、传输技术、网络架构、保护与恢复、最新进展、实验与实践、维护与管理、特定领域应用、国际化发展、创新与研发以及课程总结与展望等十五个章节。
光纤传感基础实验报告
光纤传感基础实验报告摘要：本报告详细描述了光纤传感的基础实验流程、实验内容、仪器设备和数据分析结果。
通过实验，我们深入了解了光纤传感领域的基础知识和实验技术，掌握了光纤传感的工作原理、光学元件和光电检测仪的使用方法，并成功地通过实验获取了光纤传感的信号数据。
一、实验目的和背景光纤传感是一种重要的工业应用和科学研究技术，通过利用光学、电子学等多学科交叉的知识，利用光的传输和光的调制特性进行信号传输、信号检测和环境监测等各种应用，具有广泛的应用场景和应用前景。
本次实验旨在通过实际操作和实验数据分析，加深对光纤传感的认识和理解，掌握光纤传感的基础理论、测试方法和实验技术，培养学生的实验能力和科学研究意识，为将来的科研和工程实践奠定基础。
二、实验流程和内容1. 实验基本原理和仪器介绍本次实验采用了基于Mach-Zehnder干涉仪的光纤传感实验平台，包括激光器、分束器、光纤耦合器、传感光纤和光电检测器等主要组件。
2. 实验步骤和数据记录首先，在光纤传感平台中调节激光器和分束器的参数，确定分布器输出的两路光的光路一致；其次，通过光纤耦合器将传感光纤连接到分布器输出口，并按照要求放置传感光纤的试验探头；最后，启动光电检测器，进行数据采集和分析。
3. 数据分析和结果评估通过对数据的显示和计算，可以得到光纤传感信号的强度、频率等相关参数，进而分析和评估传感器的性能和信号质量。
三、实验结果和结论通过本次实验，我们成功地获取了光纤传感器的信号数据，并分析了其相关参数和性能。
实验结果表明，光纤传感领域具有广阔的应用前景和发展空间，同时也存在着一定的技术挑战和问题需要解决。
未来，我们将继续深入学习和研究光纤传感领域的相关知识和技术，为推动光纤传感技术的发展和应用做出更多的贡献。
光纤传感器.pdf
第八章 光电式传感器
三、光栅传感器测量位移的原理
1、组成：光源、主光栅、指示光栅和光电器件 通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化 转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。 2、工作原理：
其电压为：
U Um U0 a c
U = U 0 + Um sin 2πx W
b
d
e
f
g
x
第八章 光电式传感器 • 光电元件输出电压与光栅的位移量x成正弦函 数关系 2πx
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未 细 分 与 细 分 的 波 形 比 较
(a) (b)
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第八章 光电式传感器
四、产品
位移
第八章 光电式传感器
量程：70mm～2170mm 精度：0.0005mm 量程：50mm～2200mm 精度：0.0001mm
第八章 光电式传感器
检测小物体
角位移
第八章 光电式传感器 1、增量式编码器结构及原理
第八章 光电式传感器 2、绝对式编码器原理 绝对式光电编码器是把被测转角通过读取码盘上 的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。 绝对式光电编码器是在透明材料的圆盘上精确地 印制上二进制编码。
第八章 光电式传感器
三、码盘和码制
1、下图所示是一个6位的二进制码盘。 黑色不透光区和白色透光 区分别代表二进制的“0” 和“1”。在一个六位光电 码盘上，有六圈数字码 道，每一个码道表示二进 制的一位，里侧是高位， 外侧是低位，在360°范 围内可编数码数为26=64 个。
第八章 光电式传感器 2、 亮带与暗带之间的距离B
横向莫尔条纹的斜率
tan α = tan
θ
2
莫尔条纹间距
《光纤传感技术》课件
发展历程
追溯了光纤传感技术从非线性效应研究开始的 发展历程和里程碑事件，以及吸引人才和投资
光纤传感技术分类
光纤光栅传感技术
介绍光栅的原理和各种方 案，以及光纤光栅传感技 术在结构健康监测、生物 医学、石油勘探和环境监 测等方面的应用。
基于光纤拉曼效应的 传感技术
介绍拉曼散射等原理，以 及拉曼散射和光纤相互作 用的技术，包括其在温度、 压力、化学物质探测和医 学诊断中的应用。
光纤传感技术不受电磁干扰和化学物质影 响，具有极高的抗干扰能力。
光纤传感技术的未来发展
1
光学器件的进一步改进
随着科技的发展，光学器件的性能不
传感器的小型化和集成化
2
断提升，为光纤传感技术带来了更多 可能性。
随着智能物联设备越来越多地应用于
生活和工业领域，传感器的小型化和
集成化将是发展的一个重要趋势。
《光纤传感技术》PPT课 件
介绍光纤传感技术的定义，应用领域和优势，以及介绍本次课件将要探索的 内容分类和应用领域。让我们一起了解这项重大的技术进步！
光纤传感技术原理
基本原理
介绍了光纤传感技术的光波传输原理、光纤的 制作、以及光纤中不同波长的色散特性。
工作原理
讲解了光纤传感技术与不同物质之间的交互作 用原理，包括对温度、压力、声音、气体和液 体等的响应。
液位和流量检测
在化工和供水等行业中，使 用光纤传感技术来监测液位 和流量变化。
光纤传感技术的优势ຫໍສະໝຸດ 1 精度高2 可靠性强
光纤传感技术具有高灵敏度和高分辨率， 可提供精确的量测结果。
光纤传感技术在极端环境中依然可以工作 正常，并具有长时间的稳定性。
3 长寿命
4 抗干扰能力强
光纤传感技术ppt
二 光纤传感器的分类及构成
光纤传感器的构成 光纤传感器的基本组成除光纤以外， 还有光源和光电元件。
光源：激光二极管（发射波段为）、 发光二极管（）、白炽灯。 光电元件：常用如下4 光电元件：常用如下4种光电元件作探 测器，普通光电二极管、雪崩光电二 极管、肖特基光电二极管、光电晶体 管，有时也用电荷耦合器件、光电导 体和光电倍增管等。
光纤传感器的分类 （1）功能型光纤传感器：这种类型主要 使用单模光纤。光纤不仅起传光作用， 同时又是敏感元件，即光纤同时具有 传、感两种功能。 （2）非功能型光纤传感器：光纤仅起传 光作用。
三 长周期光纤光栅传感器 的发展现状
长周期光纤光栅是近几年才出现 的一种新型光纤无源器件，它在某些 方面有比光纤布拉格光栅更好的光学 特性，现已在光纤通信和光纤传感等 方面发挥越来越重要的作用。
sin θ c =
1 n0
2 n12 − n2 = NA
光纤的传光原理 光纤的数值孔径NA表示为, 光纤的数值孔径NA表示为, 式中，为光纤周围媒质的折射率。对 于空气，。 数值孔径NA是光纤的一个基本参数， 数值孔径NA是光纤的一个基本参数， 它决定了能被传播的光束的半孔径角 的最大值，反映了光纤的集光能力。
自从Hill等人于1978年首次研制出世界 自从Hill等人于1978年首次研制出世界 上第一只光纤光栅— 上第一只光纤光栅—光纤布拉格光栅 以来，无论是光纤的写入方法、理论 研究还是应用都获得了飞速发展。国 内外对长周期光纤光栅的研究和应用 研究已经成为一个新的研究热点。目 前对长周期光纤光栅的研究主要集中 在以下几个方面。
sin θ c = 1 n0
2 n12 − n2 = NA
光纤的传输特性 （1）传输损耗： （2）色散：材料、波导、多模色散。 （3）容量：由于存在光纤色散现象，会 使脉冲展宽，造成信号畸变，从而限 制了光纤的信息容量和品质。
《光纤传输技术》课程教案
《光纤传输技术》课程教案一、课程简介1. 课程名称：光纤传输技术2. 课程性质：专业核心课3. 学时：48学时4. 学分：3学分5. 先修课程：通信原理、光学基础6. 教学目标：使学生了解光纤传输技术的基本原理、设备及其应用，掌握光纤通信系统的组建和维护方法。
二、教学内容1. 光纤通信概述光纤通信的发展历程光纤通信的优势与局限2. 光纤与光纤元件光纤的制备与分类光纤的传输特性光纤连接与耦合技术3. 光纤通信系统光发射器与光接收器光放大器与光调制器光纤传输损耗与色散4. 光信号的传输与处理光信号传输机制光信号衰减与补偿光信号检测与解调5. 光纤通信网络光纤传输网络的拓扑结构波分复用技术光纤通信网络的规划与维护三、教学方法1. 讲授：通过讲解光纤传输技术的基本原理、设备及其应用，使学生掌握相关知识。
2. 实验：安排光纤传输技术实验，让学生亲手操作，加深对理论知识的理解。
3. 讨论：组织学生针对光纤通信技术的热点问题进行讨论，提高学生的思辨能力。
4. 案例分析：分析实际光纤通信项目，使学生了解光纤通信系统的组建和维护方法。
四、教学评价1. 平时成绩：考察学生的出勤、作业、实验报告等情况，占总评的30%。
2. 期中考试：考察学生对光纤传输技术知识的掌握，占总评的30%。
3. 期末考试：考察学生对光纤传输技术知识的综合运用，占总评的40%。
五、教学资源1. 教材：推荐《光纤通信原理与技术》等教材。
2. 课件：制作课件，辅助教学。
3. 实验设备：光纤传输实验装置、光发射器、光接收器、光放大器等。
4. 网络资源：介绍光纤通信领域的最新研究成果和技术动态。
5. 辅导资料：提供课后辅导资料，帮助学生巩固知识点。
六、教学安排1. 第1-8周：光纤通信概述、光纤与光纤元件2. 第9-16周：光纤通信系统、光信号的传输与处理3. 第17-24周：光纤通信网络、案例分析与讨论4. 第25-28周：实验教学、光纤传输技术实验七、教学目标1. 了解光纤通信的基本概念、发展历程及其在现代通信技术中的应用。
《光纤传输技术》课程教案
《光纤传输技术》课程教案一、课程简介1.1 课程背景随着现代通信技术的快速发展，光纤传输技术在通信领域中的应用越来越广泛。
本课程旨在让学生了解并掌握光纤传输技术的基本原理、设备及其应用。
1.2 课程目标通过本课程的学习，使学生能够：（1）了解光纤传输技术的基本原理；（2）熟悉光纤通信系统的组成及工作原理；（3）掌握光纤通信设备的使用和维护方法；（4）了解光纤传输技术的应用领域。
二、教学内容2.1 光纤传输技术的基本原理（1）光波的传播特性；（2）光纤的传输机制；（3）光纤的损耗与色散。
2.2 光纤通信系统的组成（1）光源；（2）光纤；（3）光检测器；（4）光放大器；（5）光调制器；（6）光接收器。
2.3 光纤通信设备的使用和维护（1）光纤传输设备的启动与关闭；（2）光纤传输设备的调试与维护；（3）光纤传输设备的故障排除。
三、教学方法3.1 课堂讲解通过讲解光纤传输技术的基本原理、设备及其应用，使学生了解并掌握相关知识。
3.2 实验操作安排实验室实践环节，让学生亲自动手操作光纤传输设备，增强实践能力。
3.3 小组讨论组织学生进行小组讨论，分享学习心得，提高沟通与协作能力。
四、教学评价4.1 课堂表现观察学生在课堂上的学习态度、提问回答等情况，了解学生的学习状况。
4.2 实验报告4.3 期末考试设置期末考试，检验学生对课程知识的掌握程度。
五、教学资源5.1 教材《光纤传输技术》教材。
5.2 实验设备光纤传输设备、光波长计、光功率计等。
5.3 网络资源利用网络资源，为学生提供更多学习资料，拓宽知识面。
六、教学安排6.1 课时安排本课程共计32课时，其中理论课24课时，实验课8课时。
6.2 课程进度安排（1）第1-8课时：光纤传输技术的基本原理；（2）第9-16课时：光纤通信系统的组成；（3）第17-24课时：光纤通信设备的使用和维护；（4）第25-32课时：实验环节及课程总结。
七、教学策略7.1 案例分析通过分析实际案例，使学生更好地理解光纤传输技术的应用场景。
第8章 光纤传感技术基础
(8.8)
式中，h 为普朗克常数， h 626 1034 J s ； v 为运动光的 频率。
8.1.2
光电效应
不同频率的光子具有不同的能量，光的波长越短，光子的 频率越高，光子的能量也就越大；反之，光子的波长越长， 其光子的能量也就越小。 光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这 些物体，物体中的电子吸收入射光子的能量之后，光子的 能量的一部分用于电子逸出物体表面的逸出功A，另一部分 2 变成逸出电子的动能 1 mv0 。根据能量守恒定律，有 2
8.1.1
光光效应
假设有个光源每隔时间 T 发出一个波列，即光源的周期 为 T ，速度为 c 。当它静止时，相邻两个波列的时间 间隔为 T ，距离间隔为
cT
(8.1)
当光源以速度 vs 向着观察者运动时，在每两个相邻的波 列之间的时间里光源移动的距离为 vsT ，如图8.1所示。 于是，下一个波峰到达观察者所需的时间便减少了vsT / c ， 则相邻的两个波峰到达观察者那里所需的时间为
图8.1 多普勒效应示意图
若光源是离开观察者运动的，这时只需将以上公式中 v 改为
象。
vs
就可以了。所不同的是，这时将出现光的红移现
s
根据光源的移动速度，由式(8.3)可以计算出光在频谱中的 偏移量；反之，根据光在频谱中的偏移量，也可以计算出 光源相对光探测器的移动速度。
《光纤通信与光纤传感技术》课程教学大纲.
《光纤通信与光纤传感技术》课程教学大纲课程名称：光纤通信与光纤传感技术英文名称：Optical Fiber Communication and Sensing Technology课程类型: 专业课总学时：64 讲课学时：52 实验学时：12学分：4适用对象：通信工程、光信息科学与技术、电子科学与技术等专业本科先修课程：《通信系统原理》、《电磁场与微波技术》一、课程性质、目的和任务光纤通信与光纤传感技术课程是光信息科学与技术专业和电子科学与技术专业的一门专业主干课。
其目的是使学生了解光纤通信系统的基本组成，掌握光纤的传光原理；光源、光检测器的工作原理和工作特性；掌握光发射机、光接收机的各部分组成、结构及工作原理；掌握光纤传感技术理论基础和光纤传感调制技术，掌握光纤温度传感器、机械量传感器、光纤光栅传感器的原理、解调方法。
掌握光纤通信基本实验技能，培养学生分析问题与解决问题的能力，培养学生的动手能力，为毕业后从事光纤通信和光纤传感专业工作打下必要的基础。
二、教学基本要求1．掌握用几何光学方法和波动理论分析光纤的传光原理；掌握光纤传输特性及测量方法。
2．掌握光源、光检测器的工作原理和工作特性；了解光无源器件的工作原理和工作特性。
3．掌握光发射机、光接收机的各部分组成、结构及工作原理；掌握光接收机中的噪声及信噪比、接收灵敏度的推导计算。
4．了解数字光纤通信系统(PDH和SDH)、系统的性能指标及系统的设计；掌握光纤通信系统的测量。
5．掌握EDFA（掺铒光纤放大器）组成、结构及工作原理；掌握光波分复用技术、相干光通信技术；了解光交换技术、光孤子通信等；了解全光通信网络。
6．掌握光纤传感技术理论基础和光纤传感调制技术。
7．掌握光纤温度传感器、机械量传感器、光纤光栅传感器的原理、解调方法。
三、教学内容及要求第一章：概述掌握光纤通信基本概念、光纤通信系统基本组成。
第二章：光纤和光缆了解光纤和光缆的结构和类型, 掌握采用几何光学方法和波动理论分析光纤的传输原理；了解光纤传输特性，包括光纤色散、光纤损耗及光纤非线性光学效应；了解光纤传输特性的测量。
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13.2.1
应变传感模型
•
4．均匀横向应力下光纤光栅的传感模型
• 均匀横向应力是指对光纤沿各个径向施加压力 P ，对应
的光纤内部压力状态为 rr P 张量为 ， zz 0 ， 不存在剪切应变。根据广义Hooke 定理，可求得光纤应变
•
rr (1 v) P / E (1 v ) P / E zz 2vP / E
的基模 HE11 模，可得 U , V 满足如下关系： (13.28)
•
(1 2)V U 1 (4 V 4 )1/ 4
13.2.1
应变传感模型
• 将式(13.28)代入式(13.26)，可得与归一化频率之间的直
接关系。
• 通过对光纤纤心半径 α 直接求导，可得光纤光栅波导效
i Cij j
(i, j 1, 2,3, 4,5, 6)
(13.9)
式中，σi 为应力张量； cij 为弹性模量；εij 为应
变张量。
13.2.1
应变传感模型
• 对于各向同性介质，由于材料的对称性，可对进行简化，
引入Lamé常数,来表示弹性模量，可得
•
•
•
UJ m 1 (U ) WK m 1 (W ) J (U ) K (W ) m m 2 2 2 2 2 2 U W k n a 2 V 0 1
(13.27)
• 在弱导单模光纤中，基模模场可近似为 Gaussian 分布，
采用 Gaussian 场近似对本征方程进行化简，对单模光纤
13.1
引
言
• 在光学层面，描述光纤光栅传输特性的基本参数为反射率、
透射率、中心波长、反射带宽及光栅方程等，因此分析和
设计基于光纤光栅的器件时，主要依据以上基本光学参数。
• 基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。
13.1 引
言
• 光纤光栅传感器的种类日益丰富。目前，主要的光纤光栅
13.2.1
应变传感模型
• 考虑光纤心径变化引起的波导效应而产生的Bragg波长移
位现象，在单模光纤中，传播常数与光纤心径密切相关，
从而使得有效折射率也随纤心的变化而改变。
• 引入光纤归一化频率，即
2 2 V k0 a 2(n1 n2 )
(13.24)
(13.31)
一理想弹性体，遵循 Hooke 定理，且内部不存在切应变。
• (3) 紫外光引起的光敏折射率变化在光纤截面上均匀分布，
且这种光致折变不影响光纤自身各向同性的特性。
• (4) 所有应力问题均为静应力，不考虑应力随时间变化的
情况。
13.2.1
应变传感模型
• 2．各向同性介质中 Hooke 定理的一般形式 • Hooke 定理的一般形式可以由式(13.9)表示：
(13.1)
( 2 2 ≤ 0)
13.2
光纤Bragg光栅及其传感模型
• (2) 透射率 T
T 1 R
• (3) 中心波长 λmax
max
neff 1 n eff B
(13.2)
(13.3)
(13.7)
13.2
光纤Bragg光栅及其传感模型
1 13.2.1 应变传 感模型
2 13.2.2 温度传 感模型
3 13.2.3 动态磁场的 传感模型
13.2.1
应变传感模型
•
采用光纤 Bragg 光栅可以制成光纤传感器，其中，应力
引起光栅 Bragg 波长的移位可以由式(13.8)统一描述：
B2 neff
neff L
2B N
(13.5)
为光栅周期数 。
13.2
光纤Bragg光栅及其传感模型
• 在强光栅中， sneff B / L ，折射率变化很大，由式
(13.4)得
s neff 0 neff
(13.6)
• (5) 光栅方程
B 2neff
13.2.1
应变传感模型
•
vE (1 v)(1 2v) E 2(1 v)
(13.11)
• 式(13.10)为均匀介质中Hooke定理的一般形式，该式表明
各向同性的均匀弹性体的弹性常数只有两个。由于光纤为 柱状结构，通常采用柱坐标下应力应变的表示方式，即将 式(13.10)中的下标改为 (r , , z ) 的组合来表示纵向、
应变传感模型
• 在图13.1中，波导效应对光纤光栅纵向应变灵敏度影响较
小，但其作用与弹光效应相反。
• 从图13.1中还可以看出，随着光纤心径及数值孔径的增加
（保持在单模状态），波导效应逐渐增大，欲得到高灵敏 度的光纤光栅传感器，最好采用低数值孔径、小心径光纤。
13.2.1
应引起的纵向应变灵敏度系数为
S wg (neff ) wg a neff a
1/ 2
•
(1 2)2V 3 (4 V 4 )3/ 4 (n12 n22 ) 2 1 2 2 2 [1 (4 V ) ] n1 ( n n ) 1 (4 V 4 )1/ 4 1 2
(13.30)
• 利用单模光纤的条件，可得波导效应光纤光栅纵向应变灵
敏度系数与光纤心径及数值孔径的关系，如图13.1所示。
13.2.1
应变传感模型
• •
图13.1 光纤光栅波导效应引起的纵向应变灵敏度系数 与光纤心径及数值孔径的关系
13.2.1
13.2
光纤Bragg光栅及其传感模型
• (4)反射带宽Δλ0
B s neff 0 neff
B 1 v n L eff
2
(13.4)
• 在弱光栅中，sn / L ，折射率变化极小，由式 eff B
(13.4)得
0
式中， N = L /Λ
应变传感模型
• 基于以上分析，光纤光栅的纵向应变灵敏度系数仅取决于
材料本身和反向耦合模的有效折射率。
• 对于单模光纤，其灵敏度系数将为一定值。对于多模光纤，
根据耦合模理论，可能同时存在多个模式满足相位匹配条 件，同一光栅可能同时出现两个或多个具有不同应变灵敏
度的Bragg波长。
• 将式(13.8)展开， 再经过一系列的变化后得均匀轴向应
变引起波长移位的纵向应变灵敏度公式为 [ p12 ( p11 p12 )v] zz (1 pe ) zz S zz (13.21) B 2
包括光纤Bragg光栅传感器、啁啾光纤光栅传感器、长周 期光纤光栅传感器和光纤Bragg光栅激光传感器等。
• 在现有的技术条件下，光纤光栅在应用于传感领域，一般
需考虑以下8个主要问题：
• (1) 光纤光栅的机械可靠性和光学可靠性。
13.1 引
• (2) 光纤光栅的寿命。
2 4 1/ 4 3
(13.29)
13.2.1
应变传感模型
• 所以，由波导效应引起的光纤光栅波长相对移位可以表示
为
•
Swg B a neff Swg a rr av zz neff B wg neff a neff
13.2.1
• 式中，
应变传感模型
(13.22)
2 neff pe [ p12 ( p11 p12 )v ] 2
• 为有效弹光常数，而
•
2 neff S 1 pe 1 [ p12 ( p11 p12 )v] 2
(13.23)
• 为光纤光栅相对波长移位应变灵敏度系数。
• (3) 光纤光栅的封装。
言
• (4) 交叉敏感的消除。
• (5) 增敏与去敏。
• (6) 宽光谱、高功率光源的获得。
• (7) 波长移位的检测。 • (8) 光检测器的波长分辨率。
13.2
光纤Bragg光栅及其传感模型
• 光纤Bragg光栅的基本光学参数如下。
• (1) 反射率
0 0
0
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 6
(13.10)
• 式中，Lamé常数,可以用材料弹性模量 E 及 Poission 比
表示为
纤弹性形变、光纤弹光效应及光纤内部引起的波导效应。
• 为了能得到光纤光栅传感器更详细的数学模型，对所研究
的光纤光栅做以下假设：
• (1) 作为传感元，光纤光栅的结构仅包含纤心和包层两层，
忽略所有外包层的影响。
13.2.1
应变传感模型
• (2) 由石英材料制成的光纤光栅在所研究的应力范围内为
1 2 2 2 2 3 0 0 4 0 0 0 0 5 0 0 0 6
0 0 0
0 0 0 0
rr vP / E vP / E zz P / E
(13.12)
13.2.1
应变传感模型
• 式中，E 和 V 分别为石英光纤的弹性模量及 Poission
比。现已求得在均匀轴向应值，就可以以此为基础进一步 求解光纤光栅的应力灵敏度系数。
•
B 2neff 2neff
(13.8)
• 式中，ΔΛ 为光纤本身在应力作用下的弹性形变；Δneff