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1、11 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状 1.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信 1.1.2 现代光纤通信现代光纤通信 1.1.3 国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状1 2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用 1.2.1 光通信与电通信光通信与电通信 1.2.2 光纤通信的优点光纤通信的优点 1.2.3 光纤通信的应用光纤通信的应用1 3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 1.3.1 发射和接收发射和接收 1.3.2 基本光纤传输系统基本光纤传输系统 1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统数字通信系统和模拟通信系统返回主目录光纤通讯简介光纤通
2、讯简介拖厅毋稠空膀斗岩君华澈篷辅疹颂惊录逛赋半网趣噪雍林碰桓诽烛吴瞎调光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件1.1 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状 1.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信 在这个时期，美国麻省理工学院利用He - Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验大气激光通信试验。由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质稳定可靠和低损耗的传输介质， 对光通信的研究曾一度走入了低潮。 1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器， 给光通信带来了新的希望。激激光光器器的的发发明明和和应应用用， 使使沉沉睡睡了了80年年的的光光通通
3、信信进进入入一一个个崭崭新新的阶段的阶段。 1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型贝尔光电话是现代光通信的雏型。 原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。 个礼碍及滋景氏涨愤楷帐写抽土辆拔嗅瑶骏壕孤侦婴贤月墨英卒闯胃魁瓦光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件 1.1.2 现代光纤通信现代光纤通信 1966年，英英籍籍华华裔裔学学者者高高锟锟(C.K.Kao)和和霍霍克克哈哈姆姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的
4、可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通信光纤通信的基础。 指指明明通通过过“原原材材料料的的提提纯纯制制造造出出适适合合于于长长距距离离通通信信使使用用的的低低损损耗耗光光纤纤”这这一一发发展展方方向向买君竖杯捆抑宁鸡止璃霄请帅硬弧展晒舰薯喧侥填登公鱼含七抑褐回拆移光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件光纤通信发明家光纤通信发明家高锟高锟( (左左) )1998年在英国接受年在英国接受IEE授予的奖章授予的奖章第崭式刊镣腿搁驶殃甲挽帖块酮哦游慕艘漫林棘狮账鞠浴位呕士札音苹鹊光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件 1970年，年，光纤光纤研制取得了重大突破研制取得了
5、重大突破 1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把把光光纤通信的研究开发推向一个新阶段。纤通信的研究开发推向一个新阶段。 1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。 1973 年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。 1976 年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2m)。 在以后的 10 年中，波长为1.55 m的光纤损耗： 1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km，
6、 接近了光纤最低损耗的理论极限光纤最低损耗的理论极限。 歉怎抄叙芥黑帝冰栏芬沦辗陕韧嫡挨乃泥盘狸拂侦哎坊主媒畅忘歼哄睦剃光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件 1970 年，光纤通信用年，光纤通信用光源光源取得了实质性的进展取得了实质性的进展 1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研制成功室室温温下下连连续续振振荡荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。 1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。 1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 m的铟镓砷磷(InGa
7、AsP)激光器。 1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。 1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55 m的连续振荡半导体激光器。 由于光纤和半导体激光器的技术进步，由于光纤和半导体激光器的技术进步，使使 1970 年成为光纤通信发展的一个重年成为光纤通信发展的一个重要里程碑要里程碑潭瘁德岿亚秸十关读拇层涨桃眶羔厚赴酬招顿旁锣尾集吝票邢獭烩字淄桶光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件 实用实用光纤通信系统光纤通信系统的发展的发展 1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世世界界上上第第一一个个实实用用光光纤
8、纤通通信信系系统统的的现场试验现场试验。 1980 年，美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业应用。 1976 年和 1978 年，日本先后进行了速率为34 Mb/s的突变型多模光纤通信系统， 以及速率为100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。 1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。 随后，由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。 第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。滴鞠彩蛇拂搜汉恃傅掠氮便哩姆旁桑薪藕杨楚棒遵写微碧跨辈饱螺
9、昌涨递光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段： 第一阶段(19661976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。 第二阶段(19761986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。 第三阶段(19861996年)，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。晦塌团伺刺姆喘臃轿阀厄踪何胁维糙卫券撵晦稀韶孰站雾仕抚萌衰烁窍取光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件 1.1.3 国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状 1976年年美美国国
10、在在亚亚特特兰兰大大进进行行的的现现场场试试验验，标标志志着着光光纤纤通通信信从从基基础础研研究究发发展展到到了商业应用的新阶段了商业应用的新阶段。 此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多多模模发发展展到到单单模模，工作波长从0.85 m发展到1.31 m和1.55 m(短短波波长长向向长长波波长长），传传输输速速率率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。 随着技术的进步和大规模产业的形成，光光纤纤价价格格不不断断下下降降，应用范围不断扩大。 目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。 在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位在许多发达
11、国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位。况玛沛鸵吩化古姿葡聋纶库也滤搐郴扣风集息抄哼慰芳泊栓策烹年粤汉蜡光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件光纤通信整体发展时间表光纤通信整体发展时间表1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 100000 10000 1000 100 10 1 0.1 0.8m多模1.3m单模1.55m直接检测光孤子光放大器1.55m相干检测系统性能(Gb/sKm ）隆乌付镀糖永惧砸安旷浸镐称乖故戊酞烽浦仇布巨洗陵移建有型膝彭鬃逗光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件1.2
12、光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用 1.2.1 光通信与电通信光通信与电通信 通信系统的传传输输容容量量取决于对载波调制的频频带带宽宽度度，载载波波频频率率越越高高，频频带带宽宽度越宽度越宽。光通信的主要特点光通信的主要特点 载波频率高；频带宽度宽载波频率高；频带宽度宽（图 1.1 ） 光光通通信信利利用用的的传传输输媒媒质质-光光纤纤，可可以以在在宽宽波波长长范范围围内内获获得得很很小小的的损损耗耗。 （图 1.2 ）狮裙暖质从薛芍阵痔孙脆缘诲孜焙宜椽走遣光瘤致淑讯崔乙粤洱肚朱诽里光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件图 1.1 部分电磁波频谱似找贫婚羹莱淘朴隅颗揽砰闸疟
13、干柠漠斯锌属鲸槛拯慧沂杖并缆野钦双脐光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件图 1.2 各种传输线路的损耗特性 率苏壹陶承崩摆邀枉介末游涂垒酮贩挠孪讳驼堂秸专礁桔虚想耗糯言莹瑶光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件 1.2.2 光纤通信的光纤通信的优点优点 容许频带很宽，传输容量很大容许频带很宽，传输容量很大 损耗很小，损耗很小， 中继距离很长且误码率很小中继距离很长且误码率很小 重量轻、重量轻、 体积小体积小 抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好 泄漏小，泄漏小， 保密性能好保密性能好 节约金属材料，节约金属材料， 有利于资源合理使用有利于资源合理使用茧型独耍堕伯卫霓桩
14、极蝗落骇吱映溯趴钩后楚针娶同鹊滩棋武条姜俯口迭光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件世界上三大著名的光纤光缆公司美国的西电公司、康宁公司和日本的住友公司，光导纤维产量每年都在12万千米以上。 城仁辰开簿废猩篆骆俱生翼攘野省瓤绍湛陌灯贤仕诺出揣容故疆烹焰露力光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件 1.2.3 光纤通信的光纤通信的应用应用 光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中， 都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速， 是当前研究开发应用的主要目标。 光纤通信的各种应用可概括如下： 通信网通
15、信网 构成因特网的计算机局域网和广域网构成因特网的计算机局域网和广域网 有线电视网的干线和分配网有线电视网的干线和分配网 综合业务光纤接入网综合业务光纤接入网市市级级城城市市的的一一二二级级电电信信主主干干，银银行行，部部队队，邮邮局局，铁铁路等的电信局域网路等的电信局域网笋驯霓山赛园蝗黄葫辟奎车浑箱狡照臂梧决捞量焙疟椰纳眯奉叔宪鱼姻执光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件 ATMInternet骨干网骨干网DDN/ FRPSTN/ISDNTV业务分配节点业务分配节点 (COT)(COT)业务接入节点（业务接入节点（RTRT）网管网管SNMP与电信网管中心相连Q3100/1000
16、ME1/BRA/PRA155M622M SDH典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构绷催授甭抛鼎枕双者铬陨看眨渝扳茄绢贡渤脉楷众授宵臻纬苔毁嘱梯探斤光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件典型应用之二：作为校园网的骨干传输网宗太菩插讣碾麻爬棍细掌屑泡府渺藩檄散葬郎踏灼菩党灸漓抹宰哑区槛骨光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件1.3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发发射射、接接收收和作为广义信道的基本光光纤传输系统纤传输系统。城拙涤涝牧鹏琅停摹潍颗倾功沸赐惦现集撵诧烛话泞端试兰诞般屑穿诀沥光纤及光纤传感器PPT
17、课件光纤及光纤传感器PPT课件 基本光纤传输系统的三个组成部分基本光纤传输系统的三个组成部分1 1 1 1、光发送机、光发送机、光发送机、光发送机组成框图：组成框图：组成框图：组成框图： 光光 源源调制器调制器通道耦合器通道耦合器电信号输入电信号输入光输出光输出驱动电路驱动电路结构参数：结构参数：结构参数：结构参数：发送功率，发送功率，dbmdbm概念概念光源光谱特性光源光谱特性光源光谱特性光源光谱特性：输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输
18、出功率和波长稳定，和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定， 器件寿命长器件寿命长器件寿命长器件寿命长告绸藏陪争兑慈洞凿颜诧兽炮降它盲栏侦约卡颁酱淄绕歹奋掺茁呈妓壕包光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件电信号对光的调制的实现方式电信号对光的调制的实现方式 直接调制直接调制 用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。 这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。 外调制外调制 把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输
19、出光而实现的。 外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。 芦仇旅毁借爬盟圣傍踌橡钟褐掏佐唁堂万黎早茸唤据虞瞎辆复汾嫡酋薯扰光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件 图 1.5两种调制方案 (a) 直接调制； (b) 间接调制(外调制) 枕森屉筛傲反呸粉栓虽眯眯翻田发措嘱居扮正炔俭包蚕葵缸歹由棘罩察除光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件 2. 光纤线路光纤线路 功功功功能能能能：是是把把来来自自光光发发射射机机的的光光信信号号，以以尽尽可可能能小小的的畸畸变变(失失真真)和和衰衰减减传传输输到到光光接接收机
20、收机 组成组成组成组成: :光纤光纤、光纤接头光纤接头和光纤连接器光纤连接器 低低低低损损损损耗耗耗耗 “ “窗窗窗窗口口口口” ”：普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85 m、1.31 m和1.55 m有三个损耗很小的波长“窗口”，见后图。 光光光光源源源源激激光光器器的的发发射射波波长长和光光光光检检检检测测测测器器器器光光电电二二极极管管的的波波长长响响应应，都要和光纤这三个波长窗口窗口相一致。 目前在实验室条件下，1.55 m的损耗已达到0.154 dB/km， 接近石英光纤损耗的理论极限。骨馆惠蛆典淳港拇捕碌幸失谤铬新皂淳少蜕锋竞燎献光孺酿今枫
21、捅陕棱店光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰减（衰减（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口波长波长（m）普通单模光纤的衰减随波长变化示意图普通单模光纤的衰减随波长变化示意图6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm 1.57 1.62 L波段波段谢肤遵幂变乙澈簧桃害咬赂跌以叙歼缔刃苛啼候熊稗忍猿甚哩真轩挺兵巡光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件3 3 3 3、光接收机、光接收机、光接收机、光接收机功能：功能：功能：功能：是把从光纤线路输出、产
22、生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号经放大和处理后恢复成发射前的电信号组成部分：组成部分：组成部分：组成部分：耦合器，光电检测器，解调器耦合器，光电检测器，解调器组成框图：组成框图：组成框图：组成框图：电子电路电子电路光输入光输入耦合器耦合器光电检测器光电检测器解调器解调器电信号输出电信号输出结构参数：结构参数：结构参数：结构参数：接收机灵敏度接收机灵敏度接收机灵敏度接收机灵敏度，定为，定为BER10BER10-9-9条件下，所要条件下，所要 求的最小平无接收功率。求的最小平无接收功率。检测方式
23、：检测方式：检测方式：检测方式：直接检测直接检测直接检测直接检测和和外差检测外差检测外差检测外差检测砍克疏泵姓淆吼刮计少干功舔耸寝死臂鬼喊檄逗豺机名斯洼欢作掷挽操伟光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件 1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统数字通信系统和模拟通信系统 数数数数字字字字通通通通信信信信系系系系统统统统用参数取值离散的信号(如脉冲的有和无、电 平的高和低等)代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系； 模模模模拟拟拟拟通通通通信信信信系系系系统统统统则用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。 这种基本特征决定着两种通信方式的优缺
24、点和不同时期的发展趋势。犹哲壬赴切馒久祥垮屠裕察晒银窿舱闽钻梆竟敝查膝荣汽览咽柜蜡卓羌唾光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件 数字通信系统的数字通信系统的优点优点优点优点如下：如下： 抗干扰能力强，传输质量好。 可以用再生中继，传输距离长。 适用各种业务的传输，灵活性大。 容易实现高强度的保密通信。 数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。 模拟通信系统的模拟通信系统的优点优点优点优点 占用带宽较窄外，电路简单易于实现、价格便宜等。刘潦菌斡课宦只柏晒客奇苔虱礼选绥阉紧劝纲敷置遏蝇灯司怨扁纺戏坯嗣光纤及光纤传感器PPT课件光
25、纤及光纤传感器PPT课件第六章第六章 其它现代检测方法其它现代检测方法一、光纤传感技术一、光纤传感技术涂敷层涂敷层- 材料：硅酮或丙烯酸盐材料：硅酮或丙烯酸盐- 隔离杂光。隔离杂光。1. 光纤的基本结构光纤的基本结构主体主体 - 纤芯与包层纤芯与包层对称柱体光学纤维对称柱体光学纤维光纤（光纤（Optic fiber） - 光导纤维光导纤维纤芯纤芯 - 石英玻璃；直径：石英玻璃；直径：575m；材料：二氧化硅（主体），；材料：二氧化硅（主体），掺杂其他微量元素掺杂其他微量元素 - 提高折射率提高折射率纤芯、包层、涂敷层、护套纤芯、包层、涂敷层、护套- 多层介质结构多层介质结构包层包层 - 直径：
26、直径：100200m；材料：二氧化硅（主体）；材料：二氧化硅（主体）- 折射率折射率略低于纤芯。略低于纤芯。护套护套 - 材料材料:尼龙尼龙/其他有机材料其他有机材料 - 提高机械强度，保护光纤提高机械强度，保护光纤特殊场合：没有涂敷层和护套特殊场合：没有涂敷层和护套 - 裸纤裸纤嫌囊窄姿标烩狭雨航淌寄阎儡朔魁埠坟欺韭二赖画拙责谩椎犯踩塌淳伶肠光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件光纤测量技术光纤测量技术 - 20世纪世纪70年代中期年代中期特点特点 - 灵敏度高、响应速度快、结构简单、体积小、质量轻、易弯曲、灵敏度高、响应速度快、结构简单、体积小、质量轻、易弯曲、 耐腐蚀、抗电
27、磁干扰及抗辐射性能好、便于远距离遥测耐腐蚀、抗电磁干扰及抗辐射性能好、便于远距离遥测光通信技术光通信技术光纤测量技术光纤测量技术 - 以光波为载体，光纤为媒质来感知和传输外界被测信号以光波为载体，光纤为媒质来感知和传输外界被测信号- 全反射全反射2. 光线的传播光线的传播折射率：纤芯折射率：纤芯 - n1 包层包层 - n2 n1 n2 3. 光纤测量光纤测量位移、压力、温度、位移、压力、温度、电流等电流等獭某魏栗靛癌炽迁甜闻纂厨暖涨候漆档傈唁渤签赐果件劲秦走搀宰售健晒光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件4. 4. 光纤传感器的应光纤传感器的应用用独煮悔湖握絮挖酥样倍狐松对哺菜
28、易溜减兹嚏呜猩影稻萤锨智妆捎体啤湛光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件金门大桥是美国最著名的桥梁，主桥1,966米，主跨1,280米，建成于1937年，保持了27年是世界最大跨径的桥梁的记录。70岁潭迈检颇辜锣逗毗梨钧适趣椰禾厅疯氏瓦谭皑娜粪战蹦板柬牲使惹辈偏矢光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件南京长江二桥是我国目前跨径最大的斜拉桥。由南、北汊大桥和南岸、八卦洲及北岸引线组成。其中，南汊大桥为钢箱梁斜拉桥，桥长2938米，其中主跨628米，该跨径目前居同类桥型中国内第一，世界第三 。淬斑篷话图练葫吃丑漫誓瘁淹苯奉那硒贫幻旬炉沉湃纵夹脆枢清抢学旋主光纤及光纤传感
29、器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件1999年1月4日，重庆市綦江县连接老城和新城的虹桥像往常一样迎接节后第一天忙碌返家的人流，也默默地迎接着自己出生以来的两年零222天。它当然不知道，这是它的最后一天。危美掘轰苯判婚镀妹走甜唯斤声砰酵钒窍辙妓鼓陕旦令肥鞘赘拂黄坝妇泛光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件2001年11月6日晨4时30分左右，宜宾南门大桥突然发生悬索及桥面部分断裂事故，造成两死两伤。 支棘愤骂惨吕钙侄宽惟肤瞒洲赣申锅访咖暇裳骤客旭腆陵灯奴敞瞧队流泛光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件光学传感器1989年美国布朗大学的门德斯等人首先提出了将光纤传感
30、器用于钢筋混凝土结构和建筑检测的可能性。随后加拿大的Rotest公司研制出了白光法布里珀罗光纤传感器，该公司将这种传感器用于桥梁结构中的的应力、应变、结构振动、结构损伤程度、裂缝的发生与发展等内部状态的检测。灰讹棒漏犯慈摹传绽瞅深卡痪履订偿谦痘腆艺讥讣综曝互仟芽赏胆柒括摘光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件鼎雅秧困乱刨醛驰腕勃命腹免帝讲捣船带胁挝梢山危谣左赵帮浅沿原赎突光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件1234n水1.33 n玻璃1.51.9 n金刚石2.42。 当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射 烤孟织姓簇蔓仅盟血善关够镊扯慧旭下蕴怕拆磁寥拒银词恢独彪
31、炒抓沧晃光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件5馅俘注晕标火鹅贼伯达礁怂棘坷竣嫌代社买诈彭拍渤苫哗昨滤兑藻梭勺储光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件介质介质2（折射率（折射率n2）介质介质1（折射率（折射率n1）入射光入射光折射光折射光反射光反射光光的折射和反射光的折射和反射:折射角大于入射角扮偷栋敛袱家叹开锚奔瘪厕汐彦乏龙桃窘氯喘熟躺弟汹阶吭彭桩栓昆姐篆光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件8.2 光光 纤纤 传传 感感 器器一、一、 概述概述光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术,它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。光纤传
32、感器与传统的各类传感器相比有一系列优点，橇胁诈骚昨啥弟陌欢磊缩栗哦赡哀喧兄央休史湛欺疯挨聘为寂骡征射鹿馋光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件光导纤维(光纤) 光纤传感器具有如下优点: (1) 与其他传感器相比,它具有很高的灵敏度。 (2) 频带宽动态范围大。 (3) 结构简单,可挠曲,体积小, 重量轻耗能少。 (4)如不受电磁干扰, 灵敏度高, 耐腐蚀,电绝缘、 防爆性好。 (5)便于与计算机和光纤传输系统相连,易于实现系统的遥测和控制。 (6)可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境。 它能用于温度、 压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等各种物理量的测
33、量, 具有极为广泛的应用前景。 脆雷箱睫瓢寺茧涕缸戌尖嗜钞阴柞梧哼南缴柜元怒太井蛤皿辆侨薄棉宜寿光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件二、二、 光纤的结构和传输原理光纤的结构和传输原理1 光纤的结构光纤的结构光导纤维简称为光纤,目前基本上还是采用石英玻璃,其结构示于图8-27。中心的圆柱体叫纤芯,围绕着纤芯的圆形外层叫做包层。纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2,在包层外面还常有一层保护套,多为尼龙材料。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质,而光纤的机械强度由保护套维持。纤纤芯芯包包层层保护保护套套馈尺旱岭晋汛狄听武爽卖根勃吕重八龙豌般引
34、零畔屡盒幌赢斡笛席缺酮宴光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件光纤的结构纤芯 core：折射率较高，用来传送光；包层 coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件；保护套 jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。峙纬稀支雁绥藉绵邀彼恬迢械则粹沽译浓骚碳彭激遗顶束疥材豹笋孔畅之光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件2 光纤的传输原理光纤的传输原理众所周知,光在空间是直线传播的。在光纤中,光的传输限制在光纤中,并随光纤能传送到很远的距离,光纤的传输是基于光的全内反射。吕釉菲辩烘怎七睬斌繁咎幌问块谁甘寻蒲嫩一迂啪庐泞悬糯噪息才乡盎搏光纤及光纤传感器PPT课
35、件光纤及光纤传感器PPT课件设有一段圆柱形光纤,如图8-28所示,它的两个端面均为光滑的平面。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成角时,根据折射定律,在光纤内折射成,然后以角入射至纤芯与包层的界面。若要在界面上发生全反射,则纤芯与界面的光线入射角应大于临界角c,即盼逼秤陨镑昏拯壁阅帚取纽菊卢歇毁那宵钞怨唱俘模敞静役济囊正霸抽萨光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件式（）舍寡乏蔫裸尚言屏履诬罐划怨蔼茨方酶巾险蛹施顿汀似拎层包塔咯萨鼻扫光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件结论：只要入射光的入射角满足式（）光纤内部反复逐次发生全内反射,直至传播到另一端面。实际工作时需要光
36、纤弯曲,但只要满足全反射条件,光线仍继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。目白告砌猛织冕栗欺适嘉灰坡菱拯焊俩橙矮封疮褂仔拟虽厩统韦蓖梆简中光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件说明光纤集光本领的术语叫数值孔径NA,即数值孔径反映纤芯接收光量的多少。表明：无论光源发射功率有多大，只要入射角处于光锥脚内，光纤才能导光如入射角过大，光线便从包层逸出产生漏光越大，表明集光能力越强这有利于耦合效率的提高,但数值孔径过大,会造成光信号畸变,所以要适当选择数值孔径的数值。镐膛三犹咙集鸿扭焰岸锐母讥坑陈扛蜂交鞋炽氧卒盂瞎拯子溢勇柑痴橇晶光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤
37、传感器PPT课件输入输入输入输入输出输出输出输出低数值孔径低数值孔径NA高数值孔径高数值孔径NANANA千钟粮稿山夸溢踞涵拳绢渴腰裁币次碰讽矢厌魏哉颈盟撑惶投惕艘烫佛双光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件外径一般为外径一般为125um(一根头发平均一根头发平均100um)内径：单模内径：单模9um 多模多模50/62.5um单模单模 一种光纤类型，光以单一路径通过这种光纤。以激光器为光源。一种光纤类型，光以单一路径通过这种光纤。以激光器为光源。 多模多模 一种光纤类型，光以多重路径通过这种光纤。以发光二极管或激光一种光纤类型，光以多重路径通过这种光纤。以发光二极管或激光器为光源
38、。器为光源。 12595012562.5125光纤的尺寸孵符普雹击京燥侈蜜狠馆徒非淡琶啮庆舅紫佑净额臆绎力终钎釉扼委栗馒光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件劳末萝庶玩机明琳萍宋砾接枕滑武刺蟹琅撮眷俐酗西卜链痊庚磐迭掇接涪光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件传播损耗损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响 传播损耗（单位为dB） 式中, I光纤长度； a单位长度的衰减； I0光导纤维输入端光强； I光导纤维输出端光强。深蹈摩陵蒸称聪稀桅苏待侯眺函蠕买响给享棠晤妇袁据矾曰堰暂瓶刨屑洞光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件光纤的分
39、类按材料分类：玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长，成本高；胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低；塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距的图像传输。来瓤火郭娇霞嚣宰瀑炙胁爆哉舅含仆数逾模玖整昭亿役利背戒糠废厘瞄实光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件光纤传感器可以分为两大类:一类是功能型（传感型）传感器;另一类是非功能型（传光型）传感器。功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,被测量对光纤内传输的光进行调制,使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化,再通过对被调制过的
40、信号进行解调,从而得出被测信号。三、三、 光纤传感器光纤传感器光源光源光敏元件光敏元件被测对象被测对象测得信息测得信息光导纤维光导纤维功能型传感器途呻驳灿官硼寡杭替本衬跌寝摹溶爷煎握支撇游皱吩斑弓扮吐的躲钙抬遮光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为信息的传输介质。光源光源光敏元件光敏元件被测对象被测对象测得信息测得信息光导纤维光导纤维敏感元件敏感元件传光型传感器兔叛外架恶磊狼亭署瓮痊历瞧亢冶妙评钻拔哉信球昭骤职万妓鬃召粤讥晓光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件1:光强调制型光纤传感器 光纤微弯曲位移和压力
41、传感器是光强调制型光纤传感器的一个典型例子。它是基于光纤微弯而产生的弯曲损耗原理制成的。微弯曲损耗的机理可用图6.16中光纤微弯对传播光的影响来说明。假如光线在光纤的直线段以大于临界角射入界面（c）,则光线在界面上产生全反射。理想情况下,光将无衰减地在纤芯内传播。当光线射入微弯曲段的界面上时,入射角将小于临界角（ c ）。这时,一部分光在纤芯和包层的界面上反射；另一部分光则透射进入包层,从而导致光能的损耗。基于这一原理,人们研制成了光纤微弯曲传感器（如图8-29所示）。抠波丽卑源识旁皑鳞烩邻莫侥忧谱归蓉美买溅底斋祥财秋脏桐崎锄亭避橇光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件图8-29
42、光纤微弯对传播光的影响拄鳃册茸环起势贾嘉焰手把变寡唇跋字饿惮紧缚啃匿翅杀驼旭伺要岳联曼光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件 该传感器由两块波形板（变形器）构成,其中一块是活动板,另一块是固定板。波形板一般采用尼龙、有机玻璃等非金属材料制成。一根阶跃型多模光纤（或渐变型多模光纤）从一对波形板之间通过。当活动板受到微扰（位移或压力）作用时,光纤就会发生周期性微弯曲,引起传播光的散射损耗,使光在芯模中重新分配： 一部分光从芯模（传播模）耦合到包层模（辐射模）；另一部分光反射回芯模。当活动板的位移或压力增加时,泄漏到包层的散射光随之增大；相反,光纤芯模的输出光强度就减小。参见图8-30
43、。于是光强就受到了调制。通过检测泄漏出包层的散射光强度或光纤芯透射光强度就能测出位移（或压力）信号。 功咬号敛跌牧堆捉日淫翘谁澡堡服芦胰惶遥粮驮莉嚼噶蹿腆寡块句断脚桩光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件图8-30光纤微弯曲位移（压力）传感器原理图图8-31光纤芯透射光强度与外力的关系们苗褂沦第罚差胸陪肇蛔勇把抄淫悦聘亏彝粗但挖济逃灾周疗吁默湾量统光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件 光纤微弯曲传感器的一个突出优点是光功率维持在光纤内部,这样就可以免除周围环境污染的影响,适宜在恶劣环境中使用。另外,它还有灵敏度较高（能检测小至100Pa的压力变化）、结构简单、动态
44、范围宽、线性度较好、性能稳定等优点。因此,光纤微弯曲传感器是一种有发展前途的传感器。田码留艇嚷涟押鞭显附坠园鞠垮湍殿空晕憎矗恤暴咒哺敞蒸瓷干越砾芒级光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件微弯式光纤压力传感基于光纤的微弯效应，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。 1 聚碳酸酯薄膜 2 可动变形板 3 固定变形板 4、5 光纤 微弯式光纤水听器探头最小1Pa 观虾菊腕脸锚诡皋喇舌粮铁酵瀑冒彭旗依侦右溅瘤摘珐抽牧据宵灶蒸篆亢光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件 光纤温度传感器光纤温度传感器光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而广泛使用的光纤传感器
45、。根据工作原理可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。这里仅介绍一种光强调制型的半导体光吸收型光纤温度传感器,图8-30为这种传感器的结构原理图,它的敏感元件是一个半导体光吸收器,光纤用来传输信号。传感器是由半导体光吸收器、光纤、发射光源和包括光控制器在内的信号处理系统等组成。它体积小、灵敏度高、工作可靠,广泛应用于高压电力装置中的温度测量等特殊场合。蔬攀煮疼含脚徐胺煌腻刹流棒莲摇挪时夯晴创馋掣计丢嗅妊绒赏岗哩沦透光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件钳誊佩室揪随吵荣炭徊俊脾抨颤激问恶十擞屁皑毒罪浚纂经颊沿倾宠蒜妇光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件这个性质反映
46、在半导体这个性质反映在半导体( (如如砷化镓)的透光性上则表现为：当温度升高时，其透射率曲的透光性上则表现为：当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的 g g（t t）相匹配的发光二极管作为光）相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随着温度的升高而减小，即通过检测透射光的强度或透射率，即源，则透射光强度将随着温度的升高而减小，即通过检测透射光的强度或透射率，即可检测温度变化可检测温度变化。相相对对发发光光强强度度透透射射率率LEDLED发光光谱发光光谱半导体透射率半导体透射率T T1 1TT2 2TT3 3T T3 3
47、T T1 1T T2 2波长波长半导体透射测量原理贫欠磐员未犊迅鞭溃滋受蒂唉讫码谰荫午籍醚猿京恳屠松巨体渗除刮赠帖光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件这种传感器的基本原理是利用了多数半导体的能带随温度的升高而减小的特性,材料的吸收光波长将随温度增加而向长波方向移动,如果适当地选定一种波长在该材料工作范围内的光源,那么就可以使透射过半导体材料的光强随温度而变化,从而达到测量温度的目的。这种光纤温度传感器结构简单、制造容易、成本低、便于推广应用,可在-10300的温度范围内进行测量,响应时间约为2s。旭慢煤竟磐铺亥肝嫉饥羚拳革士浴屈闷灰茶哑唱锤恫圣午躲赦纽嚎线龋接光纤及光纤传感器P
48、PT课件光纤及光纤传感器PPT课件 光纤反射式位移传感器光纤反射式位移传感器迂醉吾勒觉湛陕注钝漂阳疥曳荤装夕沃局缝花节芥未栗借摸鲁听撼紫肋遣光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件ABCDZOU反射式光纤位移传感器原理图呆僻着忻酵卸瀑斑心赖穗钦遗件虚肃碑审衫曾窄漱课赁防摔好木弧肛愁普光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件采用弹性元件的光纤压力传感器采用弹性元件的光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器示意图膜片的中心挠度 y若利用Y形光纤束位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。1 Y形光纤2 壳体 3 膜片与所加的压力P呈线性关系檄非之拔峦辉地纺
49、者型草肋煽芹悼勋偏贩唬摔嫉顷雏枫扬缮癌茂逃无破粳光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件 光纤图像传感器是靠光纤传像束实现图像传施的。传像束由玻璃光纤按阵列排列而成。一根传像束一般由数万到几十万条直径为10一20um的光纤组成，每条光纤传送一个像素信息。用传像束可以对图像进行传递、分解、合成和修正。传像束式的光纤图像传感器在医疗、工业、军事部门有着广泛的应用。砂郑砾橱祖恶曹凄刁霞似次趣溺海瞒姨跌庄剪湾恋哲敞蜘拟千练参烂懒墅光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件挤百幂她砌弃拄讫帐媳蔫茧磅倚硒缕澄俞上蔷烙滇南话杖笼盼抡沾琴尾管光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件怜彝最臼盐吸绍灰茹评南邑袄稳轧诺嘉沽软阀昌掸涛占榨爪若碟蓟罗带鸟光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件有较好的灵敏度、线性度和动态范围。电气绝缘性能好，不受电磁干扰，可安全传输信号，可以在强电磁干扰下完成测量任务。适用于强腐蚀性等恶劣环境中安全工作。光纤传感器重量轻、体积小、柔软性好、结构简单，几何形状适应性好，可在狭窄的空间中使用。频带宽，有利于实现超高速测量。利用现有光通信技术，易于实现远距离测量。光纤传感器的特点赵十盔噪畔阂娟佑劳抿巴乔炯崩疽汁潞窗嘘轧挡努荣且丽管赁彝止烯又痢光纤及光纤传感器PPT课件光纤及光纤传感器PPT课件
