《光纤及光纤传感器》课件

光纤及光纤传感器光纤是一种利用玻璃或塑料材料制成的超细的透明导光线缆光纤技术的飞速发展为现代通信和自动化监测等领域带来了革命性变革作者JY JacobYan光纤的历史发展1960年代初期1980年代初期第一根基于石英玻璃的光纤诞生,标志着光纤通信技术的起源光纤通信开始商业应用,替代了传统的铜线电缆通信系统1231970年代中期掌握了光纤制造的核心技术,使光纤损耗降低到1dB/km以下光的传播光波是一种电磁波,在空间中以光速C=3×10^8米/秒的速度传播光在真空中传播时不会受任何阻碍,但在其他介质中会受到散射和吸收的影响光的直线传播特性使得它能够以极高的速度在远距离内传输信息光纤的基本结构光纤是一种具有中心芯、包层和保护层等基本结构的柔性光导体芯层为石英玻璃材料,通过折射率差异实现光的全内反射传输包层也由石英玻璃制成,其折射率低于芯层,起到包裹和保护芯层的作用外层的保护层由塑料材料制成,可以保护光纤免受外界环境的损害光纤的材料石英玻璃塑料光纤石英玻璃是光纤最常见的基材,具塑料光纤制造成本低廉,更耐用,适有优异的光学性能和机械强度用于短距离通信特种光纤光纤芯材特种光纤包括掺杂光纤和光子晶光纤芯材的折射率和纯度直接影体光纤,可满足特殊应用需求响光信号的传输质量光纤的制造工艺预制棒制备1通过化学气相沉积制备高纯石英玻璃预制棒拉制光纤2将预制棒置于高温熔炉中,通过拉制成细长的光纤涂覆保护层3将光纤表面涂覆高分子材料保护层,增强机械性能后处理4对光纤进行检测和分类,确保质量合格后才能出厂光纤的制造工艺主要包括预制棒制备、拉制光纤、涂覆保护层和后处理等步骤通过精密的化学气相沉积工艺生产高纯石英玻璃预制棒,然后在高温熔炉中拉制成细长的光纤最后在光纤表面涂覆高分子保护层,并进行严格的质量检测，确保光纤性能优异光纤的特点低损耗高带宽光纤具有非常低的信号损耗,能够大幅光纤可以传输大量数据,带宽极大,能满提高信号传输距离这是光纤相对于足现代高速通信的需求电缆的一大优势抗干扰性强体积小巧光纤由于不受电磁干扰,能够保证数据光纤芯径小,能有效节省铺设空间,适合传输的稳定性和安全性敷设在狭窄的环境中光纤的类型单模光纤多模光纤渐变折射率光纤单模光纤具有小核径,能够传输单一光模式,多模光纤核径较大,能够传输多个光模式,适渐变折射率光纤可以减少多模色散,适用于适用于远距离通信,传输损耗小,但制造和连用于短距离通信,制造和连接相对简单,但传中等距离通信,结构和性能介于单模和多模接复杂输损耗较大光纤之间单模光纤和多模光纤光纤根据传播模式的不同可以分为单模光纤和多模光纤两种单模光纤只允许一种光模式传输,能够提供更高的带宽和更低的色散多模光纤能够同时传输多种光模式,通常用于较短的传输距离,适用于家庭和小型网络应用这两种光纤各有优缺点,根据具体应用场景进行选择光纤的损耗光纤的衰减5dB/km

1.5dB受光功率降低连接器损耗

0.2dB/km

0.5dB/km纤芯散射损耗玻璃吸收损耗光纤在传输过程中会产生各种形式的损耗,主要包括受光功率的衰减、连接器损耗、纤芯散射损耗和玻璃吸收损耗这些损耗会导致光功率逐步递减,限制了光纤的最大传输距离合理控制这些损耗因素对于保证光纤通信系统的可靠性至关重要光纤的色散群速度色散Group Velocity光纤中不同波长的光脉冲传播速度Dispersion不同,导致脉冲展宽色散极限光纤长度和所需带宽的限制因素,影响传输距离色散补偿采用色散补偿光纤或光学滤波器等技术来补偿色散效应光纤的色散效应是光通信系统中的重要限制因素,影响传输距离和带宽通过分析不同类型的色散以及采取有效补偿措施,可以大幅提高光纤通信系统的性能光纤的机械性能抗拉性能抗弯曲性能12光纤具有很高的抗拉强度,能承光纤能够在一定范围内弯曲而受大的张力而不会损坏这使不会损坏,这使其能够通过狭窄其能承受敷设和安装过程中的和复杂的空间进行敷设应力耐压性能耐磨性能34光纤在正常使用条件下能够承光纤具有良好的耐磨性,能够抵受较高的压力而不会损坏,这保御一定程度的机械摩擦和刮擦,证了其在敷设和使用过程中的增加其使用寿命可靠性光纤的连接和接头对接连接将两根光纤的端面紧密接触在一起，可实现光信号的无缝传输这种连接方式损耗小、易实现融熔连接使用专业熔接设备将光纤端面融熔在一起,形成连续的光路融熔连接损耗更小,稳定性更好接头连接利用光纤连接器实现快速可靠的光纤对接,适用于需要频繁拆卸的场合接头连接损耗较大但操作简单光纤的连接器多样性低损耗易操作可靠性光纤连接器有多种类型,包括优质的光纤连接器可以实现低许多光纤连接器采用快速连接专业级光纤连接器具有良好的FC、SC、LC、ST等,用于不同光学信号损耗,确保光信号传和断开设计,方便安装和维护机械性能和环境适应性,确保应用场景和光纤直径输质量长期稳定运行光纤的熔接准备工作1仔细清洁光纤端面，去除任何杂质和划痕对准光纤2精确调整光纤位置,确保中心轴对准熔接3利用高压放电融化光纤,使其连接成一体检查4仔细检查熔接质量,确保连接稳固可靠光纤熔接是将两根光纤端面精准对准并融合在一起的过程这需要特殊的工具和严格的操作步骤,以确保光信号传输的连续性和稳定性成功的熔接将大幅降低光信号的损耗,提高通信系统的性能光纤传感的基本原理光信号检测1光纤传感器利用光信号的一些特性,如强度、频率、相位或偏振状态等,来检测和测量外部环境参数的变化光-电转换2通过光电转换装置,将检测到的光信号转化为电信号,进而实现对所测参量的数字化表示和处理信号分析与处理3利用专门的信号处理电路和算法,对转换得到的电信号进行分析和处理,最终获得所需的测量数据光纤传感器的类型本征光纤传感器外部调制型光纤传感器利用光纤本身的物理特性测量各利用外部环境变化导致光纤参数种物理量,如温度、应变、压力等改变的原理进行测量,如折射率、衰减等复合型光纤传感器将本征光纤传感器和外部调制型光纤传感器结合,实现更复杂的测量功能光纤干涉传感器基本结构测量范围广优势突出光纤干涉传感器通过分光和合光的机理测量光纤干涉传感器可测量位移、应变、压力、•灵敏度高外界物理量变化,采用两束光干涉产生的相温度等多种物理量,应用十分广泛•抗电磁干扰位差作为测量依据•体积小、重量轻光纤光栅传感器基本结构工作原理光纤光栅传感器是一种利用光纤内部微小折射率调制来检测外界当外界物理量如温度、应变等发生变化时，光纤光栅的周期性折物理量变化的光纤传感器其核心部件是光纤光栅，由光纤中均射率也会随之改变，从而引起光纤中特定波长的光信号发生变化，匀分布的微小折射率变化组成形成可测量的物理量输出光纤光强传感器光强检测光纤光强传感器可以精准检测光线的强弱变化能量监控通过监控光能的变化,可以实现对能源的精准控制信号处理光强信号经过传感器转换后,可进行复杂的信号处理光纤折射率传感器基本原理构造特点12基于光纤折射率对外界环境变通常由光纤、光源、检测器等化敏感的特性,通过测量光纤折组成,能够实现对温度、压力、射率的变化来感知环境参数的湿度等参数的测量变化优势特点应用领域34体积小、抗电磁干扰能力强、广泛应用于石油化工、电力、分布式测量能力,适用于恶劣环建筑等领域的压力、温度、湿境下的检测度等参数检测光纤应变传感器应变传感概念测量原理典型结构光纤应变传感器利用光纤的机械特性,当外光纤应变传感器主要利用光纤中传播光信号光纤应变传感器通常由光纤、光源、光检测力作用于光纤时会引起光纤的形变,从而导的相位变化、强度变化或波长变化来感知和器和信号调理电路等部分组成光纤作为敏致光学参数的变化,最终转换为电信号输出,测量应变通过检测这些参数的变化,就可感元件,将应力或应变转换为光信号变化实现应力或应变的测量以得到应力或应变的大小光纤温度传感器原理应用优势利用光纤光学特性随温度变化而变化的广泛应用于工业生产、石油化工、航空抗电磁干扰、安全性高、体积小、传输原理,可以实现准确的温度测量航天等领域的温度检测和监测距离远等优点,是理想的温度传感器光纤湿度传感器测量原理利用光纤材料对水分吸收的变化引起光学参数变化的原理来实现湿度检测传感机制通过光纤材料与水分子的相互作用,改变光纤折射率和吸收系数,从而检测环境湿度性能特点具有高灵敏度、快速响应、抗电磁干扰、体积小等优点,广泛应用于环境监测光纤位移传感器测量位移变化广泛应用领域优势特点测量原理光纤位移传感器利用光纤长度这种传感器广泛应用于土木工光纤位移传感器体积小、抗干通过光纤长度变化引起的光路的变化检测物体的位移变化量程、机械制造、智能交通等领扰能力强、测量精度高、响应差或光强变化来间接测量位移,它能精准测量微小的位置变化域,监测建筑物、桥梁以及各速度快是一种理想的位置监能实现远程、多点同时监测种设备的位移测方案光纤加速度传感器利用光纤弯曲原理高精度和宽动态范围12光纤加速度传感器通过检测光光纤加速度传感器具有高分辨纤的微小弯曲来测量加速度变率、低噪声和宽测量范围的特化点抗电磁干扰广泛应用领域34光纤材料本身不导电,不受电磁光纤加速度传感器广泛用于航干扰影响,适用于恶劣环境空航天、交通运输、机械工程等领域光纤泄漏检测高精度监测工作原理广泛应用利用光纤传感技术可以实现对管道及电缆等通过检测光纤传感线圈周围的环境变化,如光纤泄漏检测广泛应用于石油天然气管线、的高精度泄漏监测,及时发现问题并进行修压力、温度等,来判断是否发生泄漏供水管网、电缆隧道等基础设施的安全监测复光纤通信应用高带宽传输抗干扰性强长距离传输低功耗传输光纤可以提供超高的带宽,能光纤免受电磁干扰,不会产生单根光纤可以传输数百公里,光纤传输损耗小,可以使用更够传输大量数据,适用于视频、信号泄露或串扰,确保通信的大大提高了通信距离,减少了低功率的发射器,从而节省能语音和数据的高速通信安全性和可靠性中继器的数量源和降低成本光纤传感在工业中的应用工厂自动化管道监测光纤传感器可用于工厂生产线的光纤传感器可监测管道的压力、精密测量和控制,提高生产效率和温度、腐蚀等状况,及时发现问题产品质量并预防事故结构健康监测环境监测光纤传感器可监测大型结构如桥光纤传感器可用于监测空气质量、梁、楼宇的应力变形,确保安全可水质、辐射水平等,为工业环保提靠供数据支持光纤传感的发展趋势技术创新光纤传感技术正不断进步，新型传感器和检测系统正在研发和应用，提高了精度和可靠性应用拓展光纤传感被广泛运用于工业、基础设施、医疗等领域，满足了越来越多的检测需求智能化传统光纤传感正向智能化发展，结合物联网和大数据技术，提供更智能化的监测解决方案小型化微小型光纤传感器的研发让监测系统更加便捷和紧凑，拓展了应用场景。