光纤传感复习题

一、简答1.光纤作为传感器的优势有哪些？光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰。

光纤工作频带宽，动态范围大。

容易接受被测量场的加载，是一种优良的敏感元件。

光纤本身不带电，体积小质量轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好。

2.什么是光纤的损耗，损耗的机理是什么？光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，光功率会逐渐减少，这种现象称为光线的损耗。

损耗的机理：损耗主要包括吸收损耗和散射损耗两部分。

吸收损耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。

散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。

瑞利(Rayleigh )散射损耗是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。

3.什么是光纤的色散，色散的分类有哪些？色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。

色散的种类：模间色散、材料色散、波导色散、偏振膜色散4.光纤技术的应用领域都有哪些？信息获取：信息传输：信息处理：其他应用：广告显示牌、激光手术刀、仪表照明、工艺装饰、电力输送、光纤面板医用内窥镜、潜望镜5.按照光受被测量调制形式的不同，光纤传感器可以分为哪些类型？(a) 强度调制型光纤传感器(b) 偏振调制型光纤传感器(c) 频率调制型光纤传感器(d) 相位调制型光纤传感器(e) 波长调制型光纤传感器(f)分布式光纤传感器（多点）6.光源有哪些主要类型，按照光纤在传感器中的作用可以把光纤传感器分为哪几类？光源类型：半导体激光二极管或称激光器(LD) 发光二极管或称发光管(LED) 分布反馈激光器(DFB - LD)(a) 功能型（全光纤型）光纤传感器(b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器(c) 拾光型光纤传感器7.常见的光纤光栅有哪两类，分别的技术特点是什么？一般实际应用中，均按光纤光栅周期的长短分为短周期光纤光栅和长周期光纤光栅两大类。

周期小于1μm的光纤光栅称为短周期光纤光栅，又称为光纤布拉格光栅或反射光栅；把周期为几十至几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅，又称为透射光栅。

短周期光纤光栅的特点是传输方向相反的两个芯模之间发生耦合，属于反射型带通滤波器。

长周期光纤光栅的特点是同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合，无后向反射，属于透射型带阻滤波器。

8.在光纤相位传感器中，光束干涉法使用的干涉仪有哪些？马赫-增干涉仪（M-Z光纤干涉仪）、迈克尔逊光纤干涉仪、斐索光纤干涉仪、萨格奈克Sagnac干涉仪三光束干涉法（三光束光纤干涉仪）多光束干涉法（法布里-珀罗Fabry-Perot干涉仪、微分干涉仪）环形干涉法等9.在光纤强度传感器中，非功能型使用的调制类型有哪些？1）光束切割型光强调制2）光闸型光强调制3）松耦合式光强调制4）物理效应型光强调制10.按照寻址方式的不同，准分布式光纤传感可分为哪几类？时分复用（TDM) 波分复用（WDM) 偏分复用（PDM) 空分复用（SDM)频分复用（FDM) 混合复用（多种不同类型的复用系统组成网络）11.什么是光的频率调制，目前较多采用哪种调制方式？光频率调制，是指外界信号（被测量）对光纤中传输的光波频率进行调制，频率偏移即反映被测量。

目前使用较多的调制方法是多普勒法，即外界信号通过多普勒效应对接收光纤中的光波频率实施调制，是一种非功能型调制。

12. 光的跃迁可分为哪几类，激光器如何实现激光辐射？光的跃迁类型：受激吸收 自发辐射 受激辐射半导体激光器是向半导体PN 结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放13. 常见的光检测器有哪两类，各自的特点是什么？PIN 光电二极管： PD 中加了一个I 区，大大地提高了响应速度，I 层很厚， 吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子 - 空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。

雪崩光电二极管（APD ）：外加200V 的电流值形成了一个雪崩区，于是形成了g 的倍增因子，但是缺点是噪声也同时增加了。

14. 光电二极管和激光器的异同点是什么？LD 和LED 的区别LD 发射的是受激辐射光 LED 发射的是自发辐射光 LED 的结构和LD 相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P 型和N 型限制层中间，不同的是LED 不需要光学谐振腔， 没有阈值。

二、 分析计算1. 某光纤为SIF 光纤，已知n1=1.52, n2=1.49 （1）光纤浸在水中（n0=1.33），求光从水中入射到光纤输入端面的最大接收角 （2） 光纤放置在空气中，求数值孔径。

2. 常见的石英晶体光纤可以分为哪三种基本类型？若某均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为:n1=1.50, n2=1.45,纤芯半径a=2.5um 计算（1）相对折射率差Δ （2）光纤的数值孔径NA（3）在1米长的光纤上，由子午线的光程差引起的最大时延差（4）若工作波长为1.55 um ，此光纤工作在单模还是多模状态？答案：分类：(a) 阶跃型多模光纤SIF (b) 渐变型多模光纤 GIF （c ） 单模光纤 SMF4）a=2.5um λ=1.55um单模传输条件为：将a 、λ代入公式 求得V ≈3.89 因为3.89>2.405，所以此光纤工作在多模状态。

3.光源为半导体激光器采用GaAs 材料，其禁带宽度E g =1.42eV ，求它的发光波长。

接收采用GaAs PIN 光电二极管，平均每两个入射光子产生一个电子-空穴对，假设所有的电子都被收集。

（1）计算该器件的量子效率（2）设在0.8μm 波段的接收功率是10-7W ，计算平均输出光电流和响应度（3）计算这个光电二极管的长波长截止点。

答案：发波光长： 405.222221≤-=n n a V λπ87.042.124.124.1≈===g g E E hc λ1）005021===光子数电子数η2）e 为常数，m μλ8.0= 24.1=ehc 得出光电流p I =3.23*10e-8响应度： 3）长波长截止点跟材料有关系87.042.124.1≈=evev长波长截止点 4. 某光强调制型光纤传感器的光源采用LED ，发射功率为P in =5mw ，接收光功率为P r =0.1mw ，已知此传感器的敏感元件标准情况下的光损为α=3dB ，则使用损耗系数为0.2dB/km 的光纤传光的话，最远传输距离为多少？答案：发光功率：dBm mW P in 75≈= 接收功率dBm mW P r 101.0-≈=光损+光路损耗 L 2.03+=α 若要最远传输：α=-r in P P传输距离：)(702.0/)3107(km L =-+=因为光路为往返线路，所以L 应为最大值的一半35km 5. 以下为加速度传感器的工作原理图a) 请描述其工作原理当框架随振动物体做低频振动时重物上产生一个与运动方向相反的惯性力，f=ma 。

（x 发生相应变化，其变化量△x 与惯性力成比例，即与物体的振动加速度成比例。

）a f x x ∞∞∆→,①振动缓慢时，即可测出加速度a②到达固有频率时，传感器不能测量出真实的a ，仅起位移作用，x ∆太大，可测量位移量 ③高于固有频率时，振动幅度x ∆变小了，不是正比例于f ，不能测出a综上所述，要做一个加速度传感器，应严格控制固有频率值，使振动频率小于固有频率，才能作为加速度传感器。

（光纤加速度传感器最适合测量微小振动加速度。

）b)分析其工作过程振动加速度传感器原理当框架随振动物体做低频振动时重物上产生一个与运动方向相反的惯性力，f=ma 。

由于惯性力的作用，引起重物相对于框架作加速运动，这时框架与重物之间的距离x 发生相应变化，其变化量△x 与惯性力成比例，即与物体的振动加图 加速度传感器原理框图e hfP I hf P e I PP 00//==-=入射光子数空穴对光生电子对ηλe P hc I e hf P I P P 0021==32.00≈=P IP P速度成比例。

如图所示，它是把由重物、弹簧、阻尼、减震器组成的振子固定在框架上构成的。

外框中间由弹簧连着一个重物，弹簧带动m 上下振动，根据ma f =，得知a ，利用减震器稳定重物上下移动的距离，测量x 值，得出x ∆，x ∆正比于a ，测出x 即可得出a 。

6.1）请描述其工作原理多普勒频移原理：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。

在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高 （blue shift ）；当运动在波源后面时，会产生相反的效应。

波长变得较长，频率变得较低 （red shift ）；波源的速度越高，所产生的效应越大。

根据波红（蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。

2）分析其工作过程激光器发射激光穿过透镜，进入具有分光作用的偏振光器，有部分激光送到B 端面，其中激光一部分入射进入B 端面，一部分反射又通过偏振光器回到激光器里。

入射光经过光纤到达A 端面，使运动粒子发生散射，由于平移关系，原有f 1与散射光f 2是否一致，利用f 1、f 2的关系，求出运动物体的速度v 。

系统又附加了使让偏振态一致的偏振校正器，一部分光经过偏振校正器，透过接收透镜发射到光探测器，光探测器把接收的光转化为电信号，送到信号处理装置，进而输出。

7. 以下为Michelson 干涉式光纤声发射传感器的工作原理图（1）请分析其工作过程（描述外界声信号是如何影响光纤相位变化）激光器发出的光注入到耦合器，被3dB 耦合器分成两束光，一束光在参考臂光纤中传播，另一束光在传感臂光纤中传输，外界信号S(t)作用在传感臂光纤上，外界因素引起传感臂与参考臂之间的相位差，光到达光纤的反射端面发生全反图 光纤多普勒测速装置声信号S (t )Michelson 干涉式声发射传感器射，回程光在参考臂和传感臂中传输，通过3DB 耦合器分光回到光电探测器中，通过光电探测器探测接收到的干涉信号条纹的变化，反映外界声信号的变化。

（2）使用的激光器为LD ，若工作物质为GaAs ，则它的发射波长是多少？工作物质为InGaAs ，发射波长又为多少？（GaAs ：E g =1.43eV InGaAs: E g =0.96eV ）（1）（2）8. 以下为单光纤液位传感器结构的工作原理图1）请描述其工作原理光强调制是光纤传感技术中相对比较简单，用的最为广泛的一种调制方法。

基本原理是利用外界信号扰动改变光强(调制），在通过测量光强变化（解调）实现对外界信号的测量。

外界信号控制发射光纤（接收光纤）出射端（入射端）；产生相应的线位移或角位移，导致进入接收光纤的光束被切割，从而对光纤传输的光强进行调制。