論文光纖傳感技術(shù)

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1、光纖傳感技術(shù)（學院物理與電氣工程學院安徽233）指導教師：摘要：光纖傳感技術(shù)是一門新的科學技術(shù)，也是信息社會的一個重要技術(shù)基礎(chǔ),在當代高科技中占有十分重要的位置。該技術(shù)是測量技術(shù)、半導體技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電子學、光學、聲學、精密機械、仿生學、材料科學等眾多學科相互交叉的綜合性高新技術(shù)和密集型前沿技術(shù)。本課題主要了解光纖導光的基本原理及其在傳感技術(shù)上應(yīng)用的物理基礎(chǔ)，重點研究光纖傳感器敏感的物理雖:、光纖傳感器的基本類型及其相關(guān)應(yīng)用。關(guān)鍵詞：光纖傳感技術(shù)，光纖傳導，光纖傳感器，傳感器類型，傳感器應(yīng)用。0引言光纖傳感技術(shù)是二十世紀七十年代左右隨著光纖通信技術(shù)的萌芽而迅速建立起來的

2、，通過以光波這-載體并光纖這一媒質(zhì)，起到具有感知與信號傳輸?shù)男滦蛡鞲屑夹g(shù)。作為被測量信號載體的光波和作為光波傳播媒質(zhì)的光纖，具有一系列獨特的、其他載體和媒質(zhì)難以相比的優(yōu)點?，F(xiàn)階段，光纖傳感領(lǐng)域在世界中的發(fā)展人致分為兩大方面：應(yīng)用開發(fā)與相關(guān)原理性研究。伴隨光纖技術(shù)的不斷成熟，實用化光纖傳感器的開發(fā)成為整個領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。當前，小國光纖傳感器研究人多數(shù)基于于科研機構(gòu)與大專院校等，但依舊未完成由理論實驗向產(chǎn)品實踐化的轉(zhuǎn)變過程。其屮相對成熟的技術(shù)有：清華大學光纖傳感中心和總后共同研究開發(fā)的溫度測量系統(tǒng)和光纖油罐液位，已裝配運行數(shù)年；北京航空航天大學和總裝合作研制的光纖陀螺系統(tǒng)，現(xiàn)在的技術(shù)指標

3、是0.2°/hr。因為光纖傳感器未能超越產(chǎn)品化的限制，并且還未像光纖通信產(chǎn)業(yè)具有指數(shù)型增長的趨勢，許許多多和F1常住活緊密聯(lián)系的傳感器應(yīng)用產(chǎn)品（如交通監(jiān)管、安全警報裝宜等）和精密的測試儀器仍然依靠于進口，亟需拓展的領(lǐng)域非常廣闊。1光纖導光的基本原理1.1光纖的結(jié)構(gòu)和分類光纖是傳光的纖維波導或光導纖維的簡稱山。多層同軸圓柱體是其典型代表性結(jié)構(gòu)，如圖1所示，自外向內(nèi)為涂覆層、纖芯與纖芯。重要部分是包層與纖芯，其中纖芯是由髙度透明材料制成，構(gòu)成光波傳輸通道；包層與纖芯的折射率相比略小，可以使光波相對穩(wěn)定的進行傳導。纖芯粗細與材料加上包層的折射率，對光纖的特性起到?jīng)Q定性作用。涂覆層不僅起到了保護光

4、纖不受環(huán)境因素的侵蝕、機械的擦傷，同時還乂提高了光纖的柔韌性，具有延長光纖使用壽命的作用。包層涂敷層纖芯\圖1光纖的結(jié)構(gòu)根據(jù)不同折射率在橫截面上的分布形狀進行?劃分，有漸變型（梯度型）光纖和階躍型光纖兩類。漸變型光纖纖芯的折射率隨著半徑的增加,依照一定的規(guī)律（如雙正割I(lǐng)lli線、平方律等）逐漸減少,纖芯的折射率不是線性常數(shù)。階躍型光纖在纖芯和包層交界處的折射率呈階梯形突變，纖芯的折射率和包層的折射率是均勻常數(shù)。根據(jù)光纖小傳輸模式不同，主要有單模光纖和多模光纖兩種。單模光纖僅傳輸一種模式，在4“加?10“血區(qū)間內(nèi)，通常纖芯的直徑較細。但是多模光纖可傳輸多種模式，纖芯直徑較粗，主流應(yīng)用尺寸約

5、為50pmo按制造光纖所使用的材料進行區(qū)分，塑料包層石英纖芯、多組分玻璃纖維、有石英系列、全塑光纖等四種。在光通信中以石英光纖的使用為主，后面所說的光纖也主要是指石英光纖。此外，若按工作波長來進行區(qū)分，還可以分為長波長光纖和短波長光纖。單模光纖以采用階躍折射率分布為主，多模光纖可以采用階躍折射率分布與漸變折射率分布。據(jù)此,石英光纖大體可以分為單模階躍折射率光纖和多模階躍、漸變折射率光纖等兒類。1.2光纖中的射線光學基本理論光波的波長相對光纖的幾何尺寸有相當大的差距，根據(jù)射線光學理論的觀點進行光纖內(nèi)光線的研究，可直觀認識光纖小光的傳播機理和一些必需理念。本節(jié)運用射線光學理論對漸變型及階躍型多

6、模光纖的傳輸特性進行探究。射線光學的基本關(guān)系式遵其折射和反射的Fresnel定律⑵。光在分層介質(zhì)小的傳播，如圖2所示。圖小包層的折射率為〃2,纖芯的折射率為厲，設(shè)厲＞心。當光線以較小的G角入射到介質(zhì)界面時，部分光進入了纖芯并產(chǎn)牛折射，而部分光被反射。它們之間的相對人小取決于這兩種介質(zhì)的折射率人小。圖2子午光線在躍遷光纖中的傳輸根據(jù)Fresnel定律可得:反射定律：仇=q;折射定律：皿L=￡“sin仇n2當n}＞n2時，逐漸增人G，進入纖芯的折射光線近一步趨向于界面，直到0趨于90°。與此同時,進入纖芯的光照強度明顯減小且趨于0,而反射光照強度接逐漸接近入射光照強度。在02=90°的極值時，

7、對應(yīng)的q角被定義為臨界/fjeco因為sin90°=i,所以當臨界角q＞伏.時，入射光線將會全反射。需關(guān)注的還有，在光線由折射率人的介質(zhì)進入到折射率小的介質(zhì)時（厲＞/12），才能在界面全反射。/、Oc=arcsin乞5丿2光纖傳感器敏感的物理量光纖傳感器可分為T涉型和非T涉型，可通過相位，頻率，強度和偏振調(diào)制等方式實現(xiàn)對不同物理量的測量⑶，具體內(nèi)容如表1所示：表1光纖傳感器的分類和測量的物理量傳感器光學現(xiàn)象被測量光纖分類