1 光纤基础

1.1 光纤的结构

光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。光纤的结构如图所示，它由折射率n1较大(光密介质)的纤芯，和折射率n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。

1.2 传光原理

光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。
由斯涅尔定律得:sin⁡θc=n2n1\sin \theta_c=\frac{n_2}{n_1}sinθc=n1n2

1.3 数值孔径

只要使光线射入光纤端面的光与光轴的夹角θ0\theta_0θ0小于某一定值，则入射到光纤纤芯和包层界面的θ1\theta_1θ1角就满足大于临界角θc\theta_cθc的条件，光线就射不出光纤的纤芯。光线在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向前传播，光就能从光纤的一端以光速传播到另一端。
光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角)为
这里的NA就定义为数值孔径

1.4 光纤的种类

1.4.1 按折射率分

有阶跃型和梯度型二种
阶跃型光纤纤芯的折射率不随半径而变；但在纤芯与包层界面处折射率有突变。梯度型光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致

1.4.2 按光纤的传播模式分

可分为多模光纤和单模光纤二类
光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播的两种平面波成分。后者纤芯和包层的界面上会产生全反射。当它在横切向往返一次的相位变化为2π的整数倍时，将形成驻波。形成驻波的光线组称为模；它是离散存在的，亦即某种光纤只能传输特定模数的光。通常纤芯直径较粗时，能传播几百个以上的模，而纤芯很细时，只能传播一个模。
前者称为多模光纤，多用于非功能型(NF)光纤传感器；后者是单模光纤，多用于功能型(FF)光纤传感器。

2 光调制与解调技术

光的调制和解调可分为：强度、相位、偏振、频率和波长等方式。
光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。
在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测器进行检测。

2.1 强度调制与解调

强度调制光纤传感器的基本原理是待测物理量引起光纤中的传输光光强变化。通过检测光强的变化实现对待测量的测量。

2.2.1 微弯效应

利用光在微弯光纤中强度的衰减原理，将光纤夹在两块具周期性波纹的微弯板组成的变形器中构成调制器。

2.2.2 反射式

外调制技术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤本身只起传光作用。这里光纤分为两部分：发送光纤和接收光纤。两种常用的调制器是反射器和遮光屏。

2.2.3 透射式

发送光纤与接收光纤对准，光强调制信号加在移动的遮光板上，或直接移动接收光纤，使接收光纤只能收到发射光纤发出的部分光，从而实现光强调制。

2.2.4 折射率光强度调制

光纤折射率变化型
一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不同。在温度恒定时，包层折射率n2与纤芯折射率n1之间的差值是恒定的。当温度变化时， n2、 n1之间的差发生变化，从而改变传输损耗。因此，以某一温度时接收到的光强为基准,根据传输功率的变化可确定温度的变化。
渐逝波耦合型
通常，渐逝波在光疏媒质中深入距离有几个波长时，能量就可以忽略不计了。如果采用一种办法使渐逝场能以较大的振幅穿过光疏媒质，并伸展到附近的折射率高的光密媒质材料中，能量就能穿过间隙，这一过程称为受抑全反射。
反射系数型
由反射系数的菲涅尔公式知道，当光波以大于临界面(θc=sin-1n)的θ角入射到n1、n3介质的界面上时，若n3介质由于压力或温度的变化引起n3的微小改变，相应会引起反射系数的变化，从而导致反射光强的改变，利用这一原理可以设计出压力或温度传感器。

2.2.5 吸收系数强度调制

X射线、γ射线等辐射线会使光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而构成强度调制辐射量传感器。

2.2 相位调制与解调

相位调制光纤传感器的基本传感原理:通过被测能量场的作用，使敏感单模光纤内传播的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。
光纤中光的相位由光纤波导的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定。一般说，应力、应变、温度等外界物理量能直接改变上述三个波导参数，产生相位变化，实现光纤的相位调制。
干涉测量仪可以检测出相位差的变化

2.2.1 应力应变效应

光纤受到纵向（轴向）的机械应力作用时，将产生三个主要的物理效应，导致光纤中光相位的变化：
- ① 光纤的长度变化——应变效应
- ② 光纤芯的直径变化——泊松效应
- ③ 光纤芯的折射率变化——光弹效应
实现纵向、径向应变最简便的方法是采用一个空心的压电陶瓷圆柱筒(PZT)，在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圈光纤，并在其径向或轴向施加驱动信号，由于PZT筒的直径随驱动信号变化，故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光纤承受到应力，光波相位随之变化。

2.2.2 热胀冷缩效应

在所有干涉型光纤传感器中，光纤中传播光的相位响应φ都是与待测场中光纤的长度L成正比。这个待测场可以是变化的温度T。
由于干涉型光纤传感器中的信号臂光纤可以足够长，因此信号光纤对温度变化有很高的灵敏度

2.2.3 相位解调原理

两束相干光（信号光束和参考光束）同时照射在一光电探测器上，光电流的幅值将与两光束的相位差成函数关系。
上式表明,探测器输出电流的变化取决于两光束的初始相位和相位变化。可见，通过干涉现象能将两光束之间的相位差转化为电流变化。

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传感技术复习笔记（10）——光纤传感器

1 光纤基础

1.1 光纤的结构

1.2 传光原理

1.3 数值孔径

1.4 光纤的种类

1.4.1 按折射率分

1.4.2 按光纤的传播模式分

2 光调制与解调技术

2.1 强度调制与解调

2.2.1 微弯效应

2.2.2 反射式

2.2.3 透射式

2.2.4 折射率光强度调制

2.2.5 吸收系数强度调制

2.2 相位调制与解调

2.2.1 应力应变效应

2.2.2 热胀冷缩效应

2.2.3 相位解调原理

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