光纤传感技术读书笔记

光纤传感技术

题目光纤传感技术

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光纤传感技术学习体会

这次有幸选到姜院士的课，真的是兴奋又激动！光纤传感技术这门课在姜院士的讲解下，浅显易懂，又引人入胜，虽然课时不多，但我却学到了很多东西。高中物理学习光学知识的时候老师有讲到过光纤，但也就是单纯的分析某一单色光在光纤中的传播路径以及一些简单的计算，对于老师提到的光纤通信，始终未能解惑。当时疑惑的是光线在光纤中传播是如何实现信息交换的，因为按照当时的《考试大纲》是不讲解光的调制的，而当时的自己也以高考为重，未去深究，因此也就将这些疑惑埋藏在心中多年。所以，能选择《光纤传感技术》这门课程对本人来说还是很幸运很激动的，一是能丰富自己的课外知识、拓展自己的认知面，二是有可能完成这门课程的学习之后我可以讲埋藏心中多年的疑惑解除，一举两得。

光纤传感技术是二十世纪七十年代左右随着光纤通信技术的萌芽而迅速建立起来的，通过以光波这一载体并光纤这一媒质，起到具有感知与信号传输的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。

现阶段，光纤传感领域在世界中的发展大致分为两大方面：应用开发与相关原理性研究。伴随光纤技术的不断成熟，实用化光纤传感器的开发成为整个领域发展的基础和关键。当前，中国光纤传感器研究大多数基于于科研机构与大专院校等，但依旧未完成由理论实验向产品实践化的转变过程。其中相对成熟的技术有：清华大学光纤传感中心和总后共同研究开发的温度测量系统和光纤油罐液位，已装配运行数年；北京航空航天大学和总装合作研制的光纤陀螺系统，现在的技术指标是0.20/hr 。因为光纤传感器未能超越产品化的限制，并且还未像光纤通信产业具有指数型增长的趋势，许许多多和日常生活紧密联系的传感器应用产品（如交通监管、安全警报装置等）和精密的测试仪器仍然依靠于进口，亟需拓展的领域非常广阔。

1 光纤导光的基本原理

光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称。多层同轴圆柱体是其典型代表性结构，自外向内为涂覆层、纤芯与纤芯。重要部分是包层与纤芯，其中纤芯是由高度透明材料制成，构成光波传输通道；包层与纤芯的折射率相比略小，可以使光波相对稳定的进行传导。纤芯粗细与材料加上包层的折射率，对光纤的特性起到决定性作用。涂覆层不仅起到了保护光纤不受环境因素的侵蚀、机械的擦伤，同时还又提高了光纤的柔韧性，具有延长光纤使用寿命的作用。

根据不同折射率在横截面上的分布形状进行划分，有渐变型 (梯度型) 光纤和阶跃型光纤两类。渐变型光纤纤芯的折射率随着半径的增加，依照一定的规律(如双正割曲线、平方律等) 逐渐减少，纤芯的折射率不是线性常数。阶跃型光纤在纤芯和包层交界处的折射率呈阶梯形突变，纤芯的折射率和包层的折射率是均匀常数。

根据光纤中传输模式不同，主要有单模光纤和多模光纤两种。单模光纤仅传输一种模式，在4m μ～10m μ区间内，通常纤芯的直径较细。但是多模光纤可传输多种模式，纤芯直径较粗，主流应用尺寸约为50m μ。

按制造光纤所使用的材料进行区分，塑料包层石英纤芯、多组分玻璃纤维、有石英系列、全塑光纤等四种。在光通信中以石英光纤的使用为主，后面所说的光纤也主要是指石英光纤。

此外，若按工作波长来进行区分，还可以分为长波长光纤和短波长光纤。 单模光纤以采用阶跃折射率分布为主，多模光纤可以采用阶跃折射率分布与渐变折射率分布。据此，石英光纤大体可以分为单模阶跃折射率光纤和多模阶跃、渐变折射率光纤等几类。

光波的波长相对光纤的几何尺寸有相当大的差距，根据射线光学理论的观点进行光纤内光线的研究，可直观认识光纤中光的传播机理和一些必需理念。本节运用射线光学理论对渐变型及阶跃型多模光纤的传输特性进行探究。射线光学的基本关系式遵其折射和反射的Fresnel 定律。

光在分层介质中的传播。包层的折射率为2n ，纤芯的折射率为1n ，设21n n ＞。当光线以较小的1θ角入射到介质界面时，一部分光进入了纤芯并产生折射，而部分光被反射。它们之间的相对大小取决于这两种介质的折射率大小。

当21n n ＞时，逐渐增大1θ，进入纤芯的折射光线近一步趋向于界面，直到1

θ

趋于90°。与此同时，进入纤芯的光照强度明显减小且趋于0，而反射光照强度接逐渐接近入射光照强度。在︒=902θ的极值时，对应的1θ角被定义为临界角C θ。因为190sin =︒，所以当临界角C θθ＞1时，入射光线将会全反射。需关注的还有，在光线由折射率大的介质进入到折射率小的介质时（21n n ＞），才能在界面全反射。

2 光纤传感器的调制技术以及光信号的解调技术

光纤传感器的调制技术有四种：(1)强制调制；(2)相位调制；(3)偏振态调制；(4)频率调制。

强制解调有1)利用小的线位移或角位移进行强度调制；2)反射式强度调制；

3)利用微弯产生损耗进行强度调制；4)利用折射率变化进行强度调制。

相位调制是通过被测参量调制光纤中光的相位的原理，称为相位调制。需要注意以下几点：1)光敏器件不能直接测量相位变化，需通过干涉变化后方可测量。

2)光波的相位由光纤波导物理长度、折射率及分、波导模的几何尺寸的参量所决定。3)压力、温度、张力等被测参量可直接改变上述波导参量。

偏振态调制需要注意两点：1)光敏器件不能直接测量光的偏振态，必须通过起偏器和检偏器才能检测其偏振状态。2)偏振态调制主要是利用物质的旋光性、法拉第效应、克尔效应、光弹效应等。

频率调制是指频率为f 的光入射到相对探测器速度为V 的物体上，则有

()11V c f V s c f f -=≈+⋅。其中s f 为运动物体反射光频率。

波长调制就是利用被测参量改变光纤中的波长。波长调制不受光强变化影响，但解调技术较复杂。其主要有热-色调制和位移-波长调制。

光纤干涉仪主要则有马赫—曾德尔光纤干涉仪，萨格纳克光纤干涉仪，迈克尔逊光纤干涉仪，法布里—珀罗（F —P ）光纤干涉仪。

光信号的解调技术有(1)强度解调，(2)光波相位解调，(3)频率解调，(4)波长(颜色解调)，(5)光谱仪解调。

强度解调分为单光路微弱信号解调，双光路弱光信号。 光波相位解调有被动零差法、相位跟踪零差法、外差法。