光电信息技术应用.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,*,上一张,章首,下一张,结束,节首,第四章 光电信息技术应用,4.1,光电检测,4.2.,光电控制,4.3,光纤通信,4.4,光纤传感器,4.5,光电信息技术其它应用,1,4.1,光电检测,4.1.1,光电检测基本方法,4.1.2,几何量检测,4.1.3,机械量检测,4.1.4,温度检测,4.1.5,机器人视觉系统,2,一,直接作用法,受被测物理量控制的光通量，经光电接收器转换成电量后由检测机构直接得到欲测的物理量，测量框图如图所示。直接测量法的最大优点是简单方便，仪器设备造价低廉。这种方法的缺点是检测结果受参数、环境、电压波动等影响较大，精度及稳定性较差。适合于测量精度要求不高的场合。,根据检测原理光电检测的基本方法有,直接作用法、差动法、补偿法和脉冲法,等。,4.1.1,光电检测基本方法,3,4.1.1,光电检测基本方法,二,差动法,利用被测量与某一标准量相比较，所得差或比反映了被测量的大小。例如，用双光路差动法测量物体的长度，如,图,所示。,4,4.1.1,光电检测基本方法,1,调整：,放入标准工件的尺寸，调整光楔，使,1,2,，使,A,表读数为“,0”,。,当工件尺寸无误差时，使,1,2,，,光电传感器输出,U,无交变分量，见图。,当工件尺寸变小时，,1,2,，,U,S(,1,-,2,)R=SR,。,当工件尺寸变大时，,1,u,S,，,u,R,和,u,S,同相或反相。,同相：当,u,R,为正半周时，,u,S,u,R,u,R1,，,u,S,u,R,u,R2,u,o,u,R1,u,R2,2u,S,，当,u,R,为负半周，二极管不导通，,u,o,0,反相：当,u,R,为正半周，,u,S,u,R,u,R1,，,u,S,u,R,u,R2,u,o,u,R1,u,R2,2u,S,，当,u,R,为负半周，二极管不导通，,u,o,0,这样，只要判断,u,o,的正负，就可知道被测工件的正负偏差，只要测出,u,o,的大小，就可知道工件的偏差值。,7,4.1.1,光电检测基本方法,4,相敏检波器,(PSD),理论,实用中，用变压器线圈比较麻烦，可改用另一种,PSD,，,如图,所示。,在相敏检波器中，参考信号要求同测量信号同频，可通过在调制盘上另装一套光电接收器而获得。如图,所示。,8,4.1.1,光电检测基本方法,三、补偿法,用光或电的方法补偿由被测量变化而引起的光通量变化，补偿器的可动元件联接读数装置指示出补偿量值，补偿值的大小反映了被测量变化的大小。,1.,单通道光电补偿式测量,该检测方法又称补偿直读法，测量原理如图所示。由光敏电阻,R,G,和电阻,R,0,、,R,1,、,R,2,组成电桥，当无光照时，调整,R,w,使电桥平衡，当信号光照射光敏电阻时，其阻值,R,G,下降为,R,G,，,使电桥失去平衡，检流计,G,中有信号输出。调整,R,W,使电桥恢复平衡，调整,R,W,时标尺指示器,A,随之移动，电桥平衡时，,A,指示的数值就是待测量值的大小。以上是单通道电补偿的一个例子。,9,4.1.1,光电检测基本方法,2.,双通道光电补偿式测量,在双光路差动法测量中，用相敏检波器的输出量直接控制光楔上下移动，直到,1,2,0,，,即相敏检波器的输出量为零，而光楔的上下移动与一个读数机构相连，从读数机构的得到的读数正好反映的光通量的变化量，也就是被测量的值。,10,4.1.1,光电检测基本方法,1,脉宽法测长,四、脉冲测量法,受被测量控制的光通量转换成电脉冲，其参数（脉宽、相位、频率、脉冲数量等）反映了被测量的大小。,图给出了脉宽法测长的原理。,L,vt,vkN,KN,以上对零件尺寸的测量都要求匀速直线运动，实现起来较为困难，因此常用于精度要求不高的场合。,其中，,k,是高频脉冲的时间当量，即表示单位高频脉冲所代表的时间，而,K,是长度当量，即表示单位高频脉冲所代表的长度。,11,4.1.1,光电检测基本方法,在上面的测量中，由于物体的震动，马达电压频率的波动等使,v,不匀速，这样就可带来测量误差。为了消除这些误差，高频脉冲可取之本系统的马达或传送带的转动轮上，,图所示是利用全脉冲法检测零件尺寸的例子,该方法的测量结果和精度与传送带运动的快、慢或短暂的停止都没有关系。但不应有零件与传送带之间或轮与轮之间的相对移动。此外，如因磨损等造成,D,1,、,D,2,和,D,3,的变化，也会影响检测精度。,主动轮转一周,工件移动,D,2,对应产生的脉冲数,D,1,n/D,3,一个脉冲对应零件移动的距离为,L,D,2,D,3,/nD,1,12,4.1.1,光电检测基本方法,2,相位法测距,带有测距功能的望远镜是发射一束调制的脉冲激光，再接收来自于被测物的反射光。发射信号和接收信号的相位差反映了被测物的距离。设,V,o,和,V,i,分别代表发射脉冲和接收脉冲，如图,4.1.1,9,所示，就可用高频填入法测出两信号的相位差，再换算成相对应的距离。,V,02,V,i2,V,Q,n,V,Q,n+1,1 0 0 0,1 0 1 0,0 1 0 1,0 1 1 1,1 1 0 0,1 1 1 1,13,4.1.1,光电检测基本方法,3,频率法测速,图是测速的原理框图。在转动轮上均匀贴有反射片，光电传感器可接收到与转速相对应的光脉冲。设,m,为反射片数，,n,为每分钟转速，则,只要控制在一定的时间,t,内计数,N,，,就可计算得到轮子的转速。,f=nm/60=N/t，n=60N/(mt),14,4.1.2,几何量检测,4.1.2,几何量检测,一光电测距,1,脉冲激光测距,脉冲激光测距利用了激光的发散角小，能量空间相对集中的优点。同时还利用了激光脉冲持续时间极短，能量在时间上相对集中的特点。因此瞬时功率很大，一般可达兆瓦级。,脉冲激光测距的工作原理见图。在,1,处产生的激光，经过待测的路程射向,2,处。在,2,处装有向,1,处反射的装置，,1,处至,2,处间的距离,D,是待测的。如果在,1,处有一种装置，它能够测出脉冲激光从,1,处到达,2,处再返回,1,处所需要的时间,t,，则,D=ct/2,，,式中,c,为光的传播速度。,15,4.1.2,几何量检测,脉冲激光测距仪的原理和结构较简单，测程远主要缺点是绝对测距精度较低。精度要求较高的场合可采用相位测距法。,脉冲激光测距的方框图见图。它由脉冲激光发射系统、接收系统、控制电路、时钟脉冲振荡器以及计数显示电路等组成。,a),工作过程,16,4.1.2,几何量检测,2,相位测距法,在工程建设中进行测量时常用,30 m,或,50 m,的卷尺,(,钢皮尺,),一“链”复一“链”地进行测量，如图所示，其结果是整“链”数与卷尺长度的乘积再加上最后不足一整“链”过程可用下式表达,式中,D,待测距离；,L,s,测尺长度；,N,零或正整数，即整链数；,L,不足整尺的距离尾数。,D,NL,s,+L,相位式测距仪采用了与上述相似的方法来测量距离，不过它所采用的测尺不是卷尺，而是“光尺”，这把“光尺”是通过对光的强度进行调制实现的。,17,4.1.2,几何量检测,测距用的调制光波形如图所示，若其调制频率为,f,，,光速为,c,，,则波长,可由下式求出,=c/f,2,相位测距法,由于调制光波在传播过程中其相位是不断变化的。如果设光波从,A,到,B,点的传播过程中相位变化,(,又称为相位移,),为,，,则由图,4.1.25,看出，,可由,2,的倍数来表示：,M2+=(M+m)2,从图,4.1.25,可看出，光波每前进一个波长,，,相当于相位变化了,2,，,因此距离,D,可表示如下：,D,(M+m),18,4.1.2,几何量检测,实际上为了使用方便，在,B,点设置反射器,图,4.1.26,说明了光波在距离,D,上往返后的相位变化。,则,2D=(N+n),或,D=(N+n)/2=L,s,(N+n),式中,N,零或正整数，为波长,或相位,2,的倍数；,n,是个小数,n,/,/2,；,L,s,称它为测尺长度，,L,s,/2,当距离,D,大于测尺长度,L,s,时，仅用一把“光尺”是无法测定距离的。但当距离,D,小于测尺长度,L,s,，即,N,等于零时，式上变为,D,L,s,n,L,s,/2,此时,不会超过,2,，,测相系统能给出相位移的确定值，距离,D,也不存在多值解的问题。,19,4.1.2,几何量检测,如果被测距离较长，则可以选用一个较低的测尺频率即测尺长度较长（大于待测距离）。,但由于测尺长度越大，带来的测距误差也会越大。例如仪器的测相误差为,0.1,，当测尺长度,L,s,10m,时，会引起,1cm,的距离误差；而当,L,1000m,时，所引起的误差就可达,1m,。,当被测距离大于基本测尺长度,L,时，可再选一个或几个辅助测尺,L,sb,(,又叫粗测测尺,),。,例如选用两把测尺，其中,L,sb,=10,米，,L,sa,1000m,，,用它们分别测量某一段长度为,386.57m,的距离时，用,L,sb,测量时可得到不足,10m,的尾数,6.57m,，用,L,sa,测量可得不足,1000m,的尾数,386m,，,将两者组合起来就可得,386.57m,，,即,6.57,L,sb,读数，,386,L,sa,读数，,386,57m,两尺组合起来的总读数,20,4.1.2,几何量检测,二,.,直径的光电检测,1.,大直径的测量,为了使用小口径的透镜去测量大直径的测件，可以采用双光路的测量技术。,图示出双光路测径装置的原理图。图中,1,是氦氖激光器，,2,是旋转扫描镜。由电动机,3,带动扫描镜以一定的速度旋转。光点,F,位于会聚透镜,8,和,10,的焦点位置。其中,4,为分光棱镜，,5,、,6,、,7,为反光镜。,21,4.1.2,几何量检测,下面按标准直径为,D,0,、,大于或小于,D,0,三种情况讨论。,（,a,）,被测件,12,为标准直径,D,0,（,b,）,被测件,12,的直径小于,D,0,（,c,）,被测件,12,的直径大于,D,0,22,4.1.2,几何量检测,2.,小直径的测量,如图,(a),所示，当用激光器,1,或平行光照射细丝,2,时，在其后面相距较远的屏幕,3,上便能获得夫琅和费衍射图像，,o,点最亮，被测细丝,2,的直径,d,可按下式计算：,d,L/s,图,(b),示出测量细丝直径的原理图。,23,4.1.2,几何量检测,三,.,光电测长,普通单色光源的单色性不够好，限制了可测量的长度，且普通光源的亮度也不够。自从激光诞生后，由于它的单色性、亮度高，很快成了精密测量中的理想光源。,激光光波比长仪实质上就是一个以激光器作光源的干涉仪，其简化结构如图，待测物体的长度可按下式计算而得：,L,N/2,式中,L,待测物体的长度；,光的波长；,N,计数器测得的脉冲数。,24,4.1.3,机械量检测,机械量的种类较广、检测的装置多种多样，但从光电检测的原理讲可归纳为如下两类：,1,先把机械量,(,如重力、压力、力矩、转速等,),的变化转换成几何量的变化，再由几何量控制投射至光电器件的光通量然后以光电器件得到电信号经放大后测出机械量。,例：把机械量变成位移以测量重量,弹簧,1,下挂框架,2,，则弹簧的伸长量与框架,2,中的物体,3,的重量成正比。,25,4.1.3,机械量检测,2,若欲测的机械量使投射至光电器件的光通量以某一特定的规律或周期地发生变化，则可利用光通量不断变化的特定规律测出机械量。例如机械量使投射至光电器件的光通量断续改变以得到光脉冲，然后由光脉冲的多少或性质变化来检测机械量。,例：把机械量变成光脉冲,设轴,4,的转速需测在轴,4,的一端装一圆盘,3,，盘的一半被抛光以形成反光面再用黑漆或其他涂料涂盘的另一部分以形成无反光面。转轴,4,每分钟的转数与光电器件,2,输出的脉冲频率成正比，只要测出光电器件输出的脉冲频率，即每秒钟的脉冲数，就可测得轴,4,的每分钟转数。,上述是用光电方法测量机械量的基本原理，各机械量的测量大多数是其基本原理的具体应用。,26,4.1.3,机械量检测,一速度的光电检测,1,多普勒效应,以,V,表示光源,S,对于观察者,P,的相对运动速度，以,表示相对速度方向和光速进行方向,(,即光源到观察者的方向,),的夹角,(,如,图,),。由于多普勒效应，观察者,P,接收到的光波频率,f,可表示为,:,式中,f,0,光源发出的原频率，,c,c,0,/n,是光在介质中的光速，其中,c,0,是真空中的光速，,n,是介质的折射率。,多普勒频移,f,为：,27,可得在,P,点接收的光频为：,4.1.3,机械量检测,2,利用多普勒效应测量固体的运动速度,使用激光测速仪可以测量板、线、管材等的速度。原理见图。,多普勒频移,f,为：,上式整理后可得物体的运动速度：,式中,0,=c/f,0,。,由上式可知，如果激光波长,0,已知，光电接受方向选定后，只要测出频差,f,，,即可得到物体的运动速度。,28,4.1.3,机械量检测,二,机械振动的光电检测,1.,光电测振的原理,在图,(b),中，光电传感器带有棱镜,5,，而棱镜,5,与重物,2,一起振动。若光电器件,6,上的光通量增大时，另一光电器件,6,上的光通量减少，反之亦然。,在图,(a),中，重物,2,悬挂于弹簧,1,，光源,3,发出的光线通过光阑,4,、镜,5,反射后投至光电器件,6,。重物,2,振动时，镜,5,亦随着振动，因而引起光电器件,6,上光通量的变化。,在图,(c),中的光电传感器有成对的光栅,5,与,4,。光栅,5,固定不动，光栅,4,随重物,2,上下振动，因而投射于光电器件,6,的光通量亦随着而变化,29,4.1.3,机械量检测,1.,光电测振的原理,图,(a),示出测量旋转体或旋转轴振动的原理。,当旋转体振动时使一个光电器件上的电流增大，另一个光电器件上的电流减小，其原理示于图,(b),。,30,4.1.3,机械量检测,2.,用,PSD,测量旋转轴的振动,用,PSD,测量旋转轴振动的原理示意图如图。半导体激光器,LD,发出平行光照射于上下振动的转动轴上，部分反射光照射在,PSD,的接收面上，当主轴上下振动时，反射光斑在,PSD,上的位置不断变化，这样,PSD,输出的信号正好反映了主轴振动的情况，通过信号处理后主轴的振动频率和振幅都能容易的得到。,31,4.1.4,温度检测,4.1.4,温度检测,一工作原理,热体的温度可以通过处理其所发出的辐射能来求得。辐射高温计就是以发射体的辐射强度和光谱成分来确定热体温度的仪表。,辐射高温计通常按绝对黑体的辐射强度刻度，即当绝对黑体的总辐射能与非黑体,(,实际物体,),的总辐射的相等时，此时绝对黑体的温度叫做非黑体的辐射温度,(,黑体温度,),。根据辐射温度的定义，非黑体在真实温度,T,时的总辐射能,E,等于黑体在温度,T,0,时的总辐射能，即,:,根据斯蒂芬波兹曼定律。物体在单位时间内单位面积上，波长从,0,所辐射的总能量为,E,T,4,。,32,4.1.4,温度检测,4.1.4,温度检测,测量波长从,0,整个波谱范围内的辐射功率来确定温度的仪器称为全辐射测温仪。但考虑到光电器件的光谱响应以及光学系统的光谱透过率等因素，利用光电器件接收不可能成为全辐射型。称为部分辐射光电高温计。,如,1000,度的目标时，石英透镜只能透过,0.24,m,的辐射，占总,65,若,采用,PbS,光敏电阻因为它的光谱响应范围只占某一波段，其响应的范围更小。,非黑体的实际温度,T,与黑体温度,T,0,的关系：,要根据物体的辐射作用来测量它们的温度，首先测出它们的辐射温度即,黑体温度，然后在此基础上乘上随物体黑度系数而变的修正值而得到实际温度。,33,4.1.4,温度检测,1,、温度直接测量法的原理框图如图所示。,目前光电高温计的类型很多，按作用原理大致分为五类：,1,）部分辐射法；,2,）亮度法；,3,）比色法；,4,）三色测温法；,5,）最大波长法；,6),直接测量法,34,4.1.4,温度检测,二,部分辐射光电高温计,1,原理,采用光电信息转换器件对部分辐射进行敏感测量，采用补偿法。,2.,结构,结构框图如图所示。图中，由热体辐射的能量，经透镜聚焦后照射在调制盘上。,35,4.1.4,温度检测,调制盘结构如图所示，,1,为热体辐射的光通量，,2,是参考光通量，调整可变电阻,R,可改变,2,的光通量。,由调制盘的结构可知，,1,和,2,交替照射在光敏电阻上，光敏电阻输出,U,的波形如图,4.1.4,4.,36,4.1.4,温度检测,三,光电比色温度计,1,原理,对应于黑体，则有维恩公式可推得：,对于非黑体来说，根据两个辐射强度的比值所求得是所谓的比色温度,T,c,。,比色温度,T,c,和实际温度,T,有如下关系：,37,4.1.4,温度检测,式中，,1,和,2,是物体的黑度系数，对于灰体来说，,1,2,1,，,即比色温度与真实温度是一致的。,因此，比色温度的概念是对两个波长引入的，而实际上为两个波段，利用光电器件和适当电路，测量两个光波段内辐射能量的比值，经过一定的关系运算后就可得到被测温度。两个波段的选择，在实用中，对于高温测量，由于辐射能量足够大，可将波段选得尽量窄而且靠近，对于低温测量，辐射能量较小，可选两个较宽、但是尽量靠近、甚至部分重叠的波段，以减少黑度系数的影响。,38,4.1.4,温度检测,2,优点,3,结构,光电比色温度计的结构分,单通道,和,双通道,两种。,双通道有两个通道和两个光电器件，如图所示。,容易测得物体的真实温度，正确性好，稳定性好，测量距离的远近，中间是否有介质吸收，热体的大小等因素对温度测定影响较小。,39,4.1.4,温度检测,单通道比色计只有一个光电器件和一条通道，用调制盘将两个波段的辐射能量交替投射于同一个光电器件上，由它转换成电信号，经放大后加至流比计。它的光学系统如图,4.1.4,6,（,a,）,所示,，,调制盘,3,的布置见图,4.1.4,6,（,b,）,40,4.1.4,温度检测,41,4.2.,光电控制,4.2.1,光电继电器,4.2.2,光电遥控,4.2.3,光纤开关,42,4.2.1,光电继电器,一继电器原理,继电器是低压电路控制高压电器通与不通的联接器件。,继电器结构及工作原理如图,4.2.1,1,所示。继电器的电路符号如图,4.2.1,2,所示。,43,4.2.1,光电继电器,一继电器原理,44,二,光电继电器,光电继电器：,用光电信息转换器件控制继电器的通与断开,按原理分类：,亮通和暗通两类,亮通,(,明通,),光电控制电路：,有光照射于光电器件上使继电器有足够的电流而动作,暗通光电控制电路：,光电继电器不受光照时能使继电器动作，而受光照时继电器释放,45,二,光电继电器,？,亮通和暗通是相对而言的，可以通过哪些方式将两者相互转换？,？,当光线较慢地连续变化，上述亮通或暗通控制电路有什么缺点？可以采取什么样的方式补偿这种缺点？,三,用电子开关代替继电器,继电器工作时的优缺点：隔离高压区和低压区（使用安全）、工作可靠、但由于金属触点打出火花对电路产生干扰、其寿命有限,电子开关工作时的优缺点：无触点，使用寿命长，但电子开关不能完全隔断高压区、在大电流工作时散热问题也不能忽视,46,三,用电子开关代替继电器,电子开关不能完全隔断高压区，为了隔断高压区和低压区，可以使用光电耦合双向可控硅或联合使用光电耦合器和双向可控硅。,47,三,用电子开关代替继电器,48,双向可控硅基本结构,双向可控硅基本结构如图所示。有两个主电极,T,1,、,T,2,（,T,2,是电位参考电极）和一个门极。它可以看成是一对反并联的普通可控硅晶体管。图中,(a),为基本结构，,(b),为双向可控硅的符号，,(c),为双向可控硅型号的部颁标准。,四双向可控硅触发电路,49,双向可控硅特性曲线如图所示。从图中可知，高压的正电压和反电压都能使可控硅导通，只要,G,对,T,2,加触发电压，正向触发电压和反向触发电压都能使可控硅导通，但导通时可控硅两端有压降存在，导通电流越大，压降越大，显然，消耗的功率也大，这时，一定要采取散热措施。,1,1,3,3,双向可控硅特征曲线,50,双向可控硅有四种触发方式，工作在第一象限有二种触发方式,1,和,1,，工作在第三象限有二种触发方式,3,和,3,。,1,触发形式：,T,1,对,T,2,加正电压，,G,对,T,2,加正电压；,1,触发形式：,T,1,对,T,2,加正电压，,G,对,T,2,加负电压；,3,触发形式：,T,1,对,T,2,加负电压，,G,对,T,2,加正电压；,3,触发形式：,T,1,对,T,2,加负电压，,G,对,T,2,加负电压,；,双向可控硅使用时，一般采用第一和第三象限的组合，但由于双向可控硅元件的结构关系，,3,触发形式在使用时所需控制级功率较大，故相对少用，而,1,3,和,1,3,的触发组合方式使用较多。,双向可控硅的触发方式,51,五 双向可控硅触发电路,52,图,(a),简单的光控霓虹灯电路，采用的光敏器件为光敏电阻；,六 光电继电器的应用,路灯、霓虹灯的自动控制电路,图,(b),电路提高了霓虹灯控制的灵敏度,，,采用的光敏器件为光敏三极管；,53,I,c,1,I,b,2,I,c,2,V,b,1,V,c,2,V,E,V,cc,T,1,T,2,V,c,1,假定三极管的发射极导通电压为,0.7,伏，则：,V,b1,-,V,E,=,V,BE1,0.7,时，,T,1,导通，则：,V,b1,I,c1,V,c1,I,c2,V,BE1,V,E,若,V,b1,由大变小，使：,V,b1,-,V,E,=,V,BE1,只有,0.7,伏左右，,I,c1,开始减小，则：,V,b1,I,c1,V,c1,I,c2,V,BE1,V,E,补充：施密特电路,54,防止闪电等短时干扰的路灯控制电路如图所示,55,印刷机纸张监控器,印刷机纸张监控器可以自动监测每次印刷的纸张是否为一张，如果不是一张则发出报警讯响，停止印刷,图是监控器的电路原理图,。,F,1,和,F,2,是带施密特触发器的电路，上触发和下触发有回差电压,56,电焊工电焊时一般都要带防护面罩，以保护眼睛被电焊强光刺激，现用液晶屏替代老式的防护玻璃，可减少电焊时摘下防护罩看焊缝质量的麻烦，提高工作效率,。,光控电焊眼罩工作原理如图所示。,光控电焊眼罩,？,电路中各个部件的作用？,57,4.3,光纤通信,4.3.1,光纤通信原理及构成,4.3.2,光纤通信系统,4.3.3,光纤网络系统,58,光发送机,电发送机,电接收机,光接收机,中继器,4.3.1,光纤通信原理及构成,光纤通信系统的基本组成如图所示，主要由,3,部分构成：光发送机，光纤传输线及光接收机。由于目前的光纤通信系统基本上采用数字通信技术，因此只对数字光纤通信系统的三部分进行介绍。,59,一、光纤,1,、光纤（,Optical Fiber,）,是由纯石英拉制的而成的高度透明的玻璃丝。常用的通信光纤为降低传输损耗均由三部分组成：纤芯、包层、表面涂层，并且纤芯折射率略高于包层折射率。,2,、光纤种类非常多，分类标准也不同：,1,）按材料种类分，常见有三种：全石英光纤、塑包石英光纤、全塑光纤,2,）按折射率径向分布的不同，光纤可分为：阶跃折射率分布光纤和渐变折射率分布光纤。如图所示。,a,b,纤芯,包层,涂层,2a,2b,n,1,n,2,n,0,r,2a,2b,n,1,n,2,n,0,r,60,折射光到达纤芯,包层界面时，若入射角大于临界角,c,时，将发生全反射，若包层折射率为,n,2,，,则定义为,3,、光纤的导光原理,1,）阶跃折射率分布光纤的射线理论,光纤的导光原理可用射线理论与导波理论两种方法进行分析。,右图为光波在阶跃折射率分布光纤中的传播路径。,所有,c,的光线都将被限制在光纤芯中，这就是光纤导光的基本原理。,n,2,n,1,n,0,i,r,光纤的一个外特性参量是光纤的数值孔径,(Numerical Aperture),，,它代表了光纤的集光能力：,NA=n,0,sin,i,=n,1,cos,c,=(n,1,2,-n,2,2,),2,在光纤技术中常引用相对折射率差,61,2,）利用导波理论可将光纤分为多模光纤与单模光纤。,因此,NA,近似的可表示为：,NA,数值孔径代表光纤的集光能力，只取决于折射率，而与光纤的芯径无关。这个结论在一般的多模光纤中是正确的。但当光纤芯径降到一定值时，此时射线理论不能解释可能产生的干涉现象，数值孔径的概念实际不存在。因此在单模光纤中不用数值孔径的概念。有时是为了形象比较而借用此名称，但并不直接表征接收角的大小。,多模光纤的纤芯直径,2a=50m,，,单模光纤的纤芯直径,2a=8 12m,，,包层直径均为,50m,。,在多模光纤中，可以激励起大量的传输模式，不同模式在横向的功率分布是不同的，入射的光功率按一定比例分配给这些模式进行传播，不同模式在轴向的传播常数不同。在单模光纤中，通常只能激励起一个模式，称为基模。,3,）光纤的两个重要特性：损耗特性和色散特性,62,63,二、光发送机,光发送机的功能是将来自电发送机的电脉冲信号变换成光脉冲信号，并以数字光纤通信系统传输性能所要求的光脉冲信号波形耦合到光源组件的尾纤中,数字光发送机的组成框图如图,4.3.1-6,所示,输入,接口,线路,编码,调制,电路,控制电路,光源,电信号输入,光信号输出,64,1,、线路编码,电发送机输出的是适合于电缆传输的双极性码，而光源不可能发射负脉冲，所以要变换为适合光纤传输的单极性码。数字光纤通信系统中，普遍采用二进制二电平码，有光脉冲表示“,1”,，无光脉冲表示“,0”,。但简单的二电平码会带来一些问题。因此，要对来自电端机的信号进行线路编码。,2,、光源与调制电路,经过码型变换的电脉冲信号码流对光源进行调制，将电信号转换为光信号。光源的波长应位于光纤的低损耗传输窗口，单色性要好，以减小光纤色散对带宽的限制。目前的光纤通信系统采用半导体激光器（,LD,）,作为光源，在低通信容量系统中，也可选用,LED,做光源。电信号转换为光信号的调制方式有直接调制与间接调制。,(a)LED,数字调制,(b)LD,数字调制,I,P,输入电信号,输出光信号,I,P,输入电信号,输出光信号,I,th,I,b,65,1 0 1 0 1 1,APD,光信号,电信号,主放大器,峰值,检波,均衡器,判决,再生,高压直流变换器,前置,放大,AGC,定时,提取,三、光接收机,光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将来自光纤的光信号转换成电信号，恢复光载波所携带的原信号。图,4.3.1-8,给出了数字光接收机的组成框图。,66,1,、光电检测器,光电检测器是光接收机的第一个关键部件，其作用是将由光纤传送来的光信号转换成电信号。光电检测器主要有,PIN,光电二极管和雪崩光电二极管,APD,两种。,PIN,管使用简单，只需,1020V,的反向偏压，但,PIN,管没有增益。,APD,管具有,10200,倍的增益，可以提高光接收机的灵敏度，但需要几十伏以上的偏压，增益特性受温度的影响较严重,2,、前置放大器,经光电检测器检测到的微弱的信号电流，流经负载电阻建立起信号电压后，由前置放大器进行预放大。除光电检测器性能优劣影响光接收机的灵敏度之外，前置放大器对光接收机的灵敏度有十分重要的影响。为此，前置放大器必须是低噪声、宽频带的放大器。,3,、主放大器,主放大器用来提供高的增益，将前置放大器的输出信号放大到适合判决电路所需的电平。前置放大器的输出信号电平一般为,mV,量级，而主放大器的输出信号电平一般为,13V,。,67,4,、均衡器,光在光纤中传输时，由于将受到色散的影响，信号将发生畸变与展宽，使码元间相互影响，出现误码。均衡器的作用是对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形，使之成为最有利于判决、码间干扰最小的波形，通常为升余弦波,5,、判决再生与定时提取,判决即是用一判决电平与均衡器输出信号进行比较，当在判决时刻输出的电压信号比判决电平高，则判断为“,1”,码，否则判断为“,0”,码。这样，可在判决再生电路的输出端得到一个和发送端发出的数字脉冲信号基本是一致由矩形脉冲组成的数字脉冲序列。为了精确地确定“判决时刻”，就需要从信号码流中提取准确的定时信息用来标定，以保证和发送端一致。这个工作由“定时提取”电路来完成。,6,、峰值检波器与,AGC,放大器,将由升余弦波组成的数字脉冲信号取出一部分送到峰值检波器进行检波，检波后的直流信号再送到,AGC,放大器进行比较放大，产生一个,AGC,电压。用该电压一方面去控制光电检测器（,APD,管）的反向偏置电压，另一方面送到主放大器去调整主放大器的工作点，以控制主放大器的增益，从而使均衡器输出幅度稳定的升余弦波，保证码元判决的正确性。,68,一,、,时分复用系统,4.3.2,光纤通信系统,时分复用（,Time Division Multiplexing,，,TDM,），,是将不同信道的信号在时间上,交替排列组合成复合比特流。,二,、,波分复用系统,单模光纤具有非常宽的带宽。在,1.3m(1.251.35m),波段和,1.55m(1.501.60m),波段，都具有高达,100nm,的低损耗传输范围。另一方面，作为光源的半导体激光器的线宽已小于,0.1nm,，,因此，在一根单模光纤中，可同时传输多个不同波长的信号。波分复用（,Wavelength Division Multiplexing,，,WDM,）,技术正是基于这种思想，通过在一根单模光纤中传输多个信道信号，来大幅度增加通信容量的。,69,图,4.3.2-2,为一单向传输的,WDM,系统原理框图。,n,个光发送机发送出由不同波长,1,，,2,，,n,承载的光信号，通过光复用器耦合到同一根单模光纤中，经过光纤传输到达接收端后，由解复用器将不同波长信号在空间上分开，分别进入各自的光接收机。对于长途通信，还需在传输光纤中加入中继器或光放大器，以补偿光信号的损耗。,复,用,器,解,复,用,器,1,2,n,1,2,n,1,2,n,光纤,光放大器,光接收机,1,光接收机,2,光接收机,n,光发送机,1,光发送机,2,光发送机,n,随着,1.55m,波段掺铒光纤放大器,(EDFA),的商用化，可以利用,EDFA,对传送的光信号进行放大，实现超长距离无电再生中继传输，,WDM,系统得到了极其广泛的应用。在,1.55m,波段传送多路信道信号，这些信道波长间隔非常窄，且共享一个,EDFA,，,将这种信道密集的,WDM,系统称为密集波分复用（,Dense Wavelength Division Multiplexing,，,DWDM,）,系统。,70,1.,复用器,/,解复用器,波分复用系统的核心部件是波分复用器件，即复用器和解复用器（也称合波器与分波器）。这里介绍闪烁光栅波分复用器。,图,4.3.2-3,闪烁光栅波分复用器,1,2,3,4,1,2,3,4,光纤,透镜,闪烁光栅,闪烁光栅是在玻璃衬底上沉积环氧树脂，然后在环氧树脂上制造光栅线。如图,4.3.2-3,所示，当不同波长的入射光从同一角度照射到光栅上后，由于光栅的色散作用，不同波长的光将以不同的角度反射，然后经透镜会聚到不同的输出光纤，实现解复用的功能；反过来，可以完成光波的复用功能。,71,2,、光放大器,在长途,DWDM,系统中，需要对光信号进行中继放大。如果采用光电混合中继方式的话，则首先要对光信号进行解复用，然后对每一信道进行中继再生，再将各信道光信号复用到传输光纤中。这样，将需要大量的中继设备，系统成本非常高。宽带宽的光放大器可以对多信道信号同时放大，而不需要进行解复用，目前应用最广泛的光放大器是掺铒光纤放大器,(,Er,Doped Fiber Amplifier,，,EDFA),铒是一种稀土元素，在制造光纤的过程中，向纤芯中掺入三价铒离子,(Er,+3,),，便形成了掺铒光纤。,EDFA,主要由掺铒光纤,(EDF),、,泵浦光源、耦合器、光隔离器及光滤波器组成，结构如图,4.3.2-4,所示。,信号光,耦合器,光隔离器,掺铒光纤,隔离器光,光滤波器,输出光,泵浦光,72,4.4,光纤传感器,4.4.1,元件型光纤传感器,4.4.2,传输型光纤传感器,73,4.4.1,元件型光纤传感器,一、微弯损耗光纤传感器,基于微弯损耗机理的强度调制型传感器的结构如图所示。传感光纤被夹在一个变形器中，变形器具有一定的变形函数，当外力使变形器的上下两部分靠近，则光纤将会按照变形器的变形函数形状发生弯曲变形，光纤中传输光产生损耗。因此由光纤中光功率的数值可得到诸如压力、位移等被测量的大小。,光输入,光输出,变形器,多模光纤,L,微弯损耗光纤传感器原理,74,设光纤的微弯变形函数为正弦型,式中,D(t),外界信号导致的弯曲幅度；,q,空间频率；,z,变形点到光纤入射端的距离；,设光纤微弯变形函数的微弯周期为,，则有,根据光纤模式理论，可得到微弯损耗系数 的近似表达式,:,75,式中,比例系数；,光纤中产生微弯变形的长度；,光纤中光波传播常数差；,式表明，,与光纤弯曲幅度,D(t),的平方成正比，弯曲幅度越大，模式耦合越严重，损耗就越高。,还与光纤弯曲变形的长度成正比，作用长度越长，损耗也越大。,与光纤微弯周期有关，当 时产生谐振，微弯损耗最大。因此，从获得最高灵敏度的角度考虑，需要选择合适的微弯周期。,76,二、干涉式光纤传感器,对上式微分得：,式中第一项表示光纤长度变化引起的相位差（应变效应或热胀效应），第二项为光纤折射率变化引起的相位差（光弹效应或热光效应），第三项为光纤芯径变化引起的相位差（泊松效应）。,对调制在相位中的信号需要进行解调，用于光相位解调的干涉结构有多种，如双光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法及环形干涉法等，此处主要介绍双光束干涉法。,光波通过长度为 的光纤，其相位延迟为,其中,为光波在光纤中的传播常数，,nk,0,77,光源,探测器,信号臂,参考臂,3dB,(a),迈克尔逊干涉仪,双光束光纤干涉仪有迈克尔逊,(Michlson),干涉仪、马赫,-,陈德尔,(Mach-Zehnder),干涉仪及斐索,(Fizeau),干涉仪，基本结构如图所示。,在迈克尔逊干涉仪中，光源发射光经,3dB,光纤耦合器被分成功率相等的两部分，分别进入信号臂光纤与参考臂光纤，然后分别被端面的反射镜反射回各自的光纤中，在信号臂光纤中传输的光波相位被调制，在参考臂光纤中传输的光波相位与外界无关。被反射回来的光波在,3dB,耦合器另一端汇合，产生干涉条纹，信号由与此端相连的探测器接收。,1,）迈克尔逊干涉仪,78,光源,信号臂,参考臂,3dB,探测器,3dB,(b),马赫,-,陈德尔干涉仪,光源,探测器,传输光纤,3dB,M,1,M,2,自聚焦透镜,(c),斐索干涉仪,2,）马赫,-,陈德尔干涉仪,3,）斐索干涉仪,马赫,-,陈德尔干涉仪使用了两个,3dB,耦合器，光源发出的相干光由第一个,3dB,耦合器进入信号臂光纤与参考臂光纤，在经第二个,3dB,耦合器后在探测器端汇合，产生干涉条纹。马赫,-,陈德尔干涉仪的优点是克服了迈克尔逊干涉仪中反馈光波对光源的影响，得到广泛的应用。,在斐索干涉仪中，光源发出的相干光束经,3dB,耦合器进入传输光纤，在光纤出射端一部分被光纤端面反射回光纤中，一部分从光纤输出后又被一个外部的反射镜反馈回光纤中，这两部分反馈光在耦合器的另一端汇合产生干涉条纹。通常在光纤出射端加一自聚焦透镜来提高外部反馈光的耦合效率。这种干涉仪的特点是结构非常简单，通过改变光纤端面与外部反射镜的间距就可以实现对光纤中光波相位的调制。,79,现以双光束干涉仪为例来分析干涉场。设信号光与参考光的场强分别为：,两光束相干产生的干涉场分布为,相应的光强分布为,这样，可将相位变化转换为强度变化，可以获得被测信号的大小。,80,光纤光栅是利用光纤的光折变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅根据其折射率分布形式有光纤,Bragg,光栅、啁啾光栅等,光纤,Bragg,光栅（,Fiber Bragg Grating,，,FBG,）,是一种反射型滤波器件，其