光纤传感复习题.doc

一、 简答
1. 光纤作为传感器的优势有哪些？
光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰。
光纤工作频带宽，动态范围大。
容易接受被测量场的加载，是一种优良的敏感元件。
光纤本身不带电，体积小质量轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好。
2. 什么是光纤的损耗，损耗的机理是什么？
光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，光功率会逐渐减少，这种现象称为光线的损耗。
损耗的机理：损耗主要包括吸收损耗和散射损耗两部分。
吸收损耗 是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。
散射损耗 主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。
瑞利(Rayleigh )散射损耗是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。
3. 什么是光纤的色散，色散的分类有哪些？
色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。
色散的种类： 模间色散、材料色散、波导色散、偏振膜色散
4. 光纤技术的应用领域都有哪些？
信息获取：信息传输：信息处理：
其他应用： 广告显示牌、激光手术刀、仪表照明、工艺装饰、电力输送、光纤面板
医用内窥镜、潜望镜
5. 按照光受被测量调制形式的不同，光纤传感器可以分为哪些类型？
(a) 强度调制型光纤传感器 (b) 偏振调制型光纤传感器
(c) 频率调制型光纤传感器 (d) 相位调制型光纤传感器
(e) 波长调制型光纤传感器 (f)分布式光纤传感器（多点）
6. 光源有哪些主要类型，按照光纤在传感器中的作用可以把光纤传感器分为哪几类？
光源类型：半导体激光二极管或称激光器(LD) 发光二极管或称发光管(LED) 分布反馈激光器(DFB - LD)
(a) 功能型（全光纤型）光纤传感器 (b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器 (c) 拾光型光纤传感器
7. 常见的光纤光栅有哪两类，分别的技术特点是什么？
一般实际应用中，均按光纤光栅周期的长短分为短周期光纤光栅和长周期光纤光栅两大类。
周期小于1μm的光纤光栅称为短周期光纤光栅，又称为光纤布拉格光栅或反射光栅；
把周期为几十至几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅，又称为透射光栅。
短周期光纤光栅的特点是传输方向相反的两个芯模之间发生耦合，属于反射型带通滤波器。
长周期光纤光栅的特点是同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合，无后向反射，属于透射型带阻滤波器。
8. 在光纤相位传感器中，光束干涉法使用的干涉仪有哪些？
马赫-增干涉仪（M-Z光纤干涉仪）、迈克尔逊光纤干涉仪、斐索光纤干涉仪、萨格奈克Sagnac干涉仪
三光束干涉法（三光束光纤干涉仪）
多光束干涉法（法布里-珀罗Fabry-Perot干涉仪、微分干涉仪）
环形干涉法等
9. 在光纤强度传感器中，非功能型使用的调制类型有哪些？
1） 光束切割型光强调制2）光闸型光强调制
3） 松耦合式光强调制 4）物理效应型光强调制
10. 按照寻址方式的不同，准分布式光纤传感可分为哪几类？
时分复用（TDM) 波分复用（WDM) 偏分复用（PDM) 空分复用（SDM)
频分复用（FDM) 混合复用（多种不同类型的复用系统组成网络）
11. 什么是光的频率调制，目前较多采用哪种调制方式？
光频率调制，是指外界信号（被测量）对光纤中传输的光波频率进行调制，频率偏移即反映被测量。
目前使用较多的调制方法是多普勒法，即外界信号通过多普勒效应对接收光纤中的光波频率实施调制，是一种非功能型调制。
12. 光的跃迁可分为哪几类，激光器如何实现激光辐射？
光的跃迁类型：受激吸收 自发辐射 受激辐射
半导体激光器是向半导体PN结注入电流， 实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。
13. 常见的光检测器有哪两类，各自的特点是什么？
PIN光电二极管： PD中加了一个I区，大大地提高了响应速度，I层很厚， 吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子 - 空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。
雪崩光电二极管（APD）：外加200V的电流值形成了一个雪崩区，于是形成了g 的倍增因子，但是缺点是噪声也同时增加了。
14. 光电二极管和激光器的异同点是什么？
LD 和LED的区别
LD发射的是受激辐射光
LED发射的是自发辐射光
LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔， 没有阈值。
二、 分析计算
1. 某光纤为SIF光纤，已知n1=1.52, n2=1.49
（1）光纤浸在水中（n0=1.33），求光从水中入射到光纤输入端面的最大接收角 （2） 光纤放置在空气中，求数值孔径。

2. 常见的石英晶体光纤可以分为哪三种基本类型？若某均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为:n1=1.50, n2=1.45,纤芯半径a=2.5um
计算（1）相对折射率差Δ
（2）光纤的数值孔径NA
（3）在1米长的光纤上，由子午线的光程差引起的最大时延差
（4）若工作波长为1.55 um，此光纤工作在单模还是多模状态？
答案：分类：(a) 阶跃型多模光纤SIF (b) 渐变型多模光纤 GIF （c） 单模光纤 SMF
4） a=2.5um λ=1.55um
单模传输条件为：
将a、λ代入公式 求得V≈3.89
因为3.89>2.405，所以此光纤工作在多模状态。
3.光源为半导体激光器采用GaAs材料，其禁带宽度Eg=1.42eV，求它的发光波长。
接收采用GaAs PIN光电二极管，平均每两个入射光子产生一个电子-空穴对，假设所有的电子都被收集。（1）计算该器件的量子效率（2）设在0.8μm波段的接收功率是10-7W，计算平均输出光电流和响应度（3）计算这个光电二极管的长波长截止点。
答案：发波光长：
1）
2）
e为常数，
得出光电流=3.23*10e-8
响应度：
3） 长波长截止点跟材料有关系

4. 某光强调制型光纤传感器的光源采用LED，发射功率为Pin=5mw，接收光功率为Pr=0.1mw，已知此传感器的敏感元件标准情况下的光损为α=3dB，则使用损耗系数为0.2dB/km的光纤传光的话，最远传输距离为多少？
答案：发光功率： 接收功率
光损+光路损耗 若要最远传输：
传输距离：
因为光路为往返线路，所以L应为最大值的一半35km
5. 以下为加速度传感器的工作原理图

a) 请描述其工作原理
当框架随振动物体做低频振动时重物上产生一个与运动方向相反的惯性力，f=ma。（x发生相应变化，其变化量△x与惯性力成比例，即与物体的振动加速度成比例。）
振动缓慢时，即可测出加速度
‚到达固有频率时，传感器不能测量出真实的，仅起位移作用，太大，可测量位移量
ƒ高于固有频率时，振动幅度变小了，不是正比例于，不能测出
综上所述，要做一个加速度传感器，应严格控制固有频率值，使振动频率小于固有频率，才能作为加速度传感器。
（光纤加速度传感器最适合测量微小振动加速度。）
b)分析其工作过程
振动加速度传感器原理
当框架随振动物体做低频振动时重物上产生一个与运动方向相反的惯性力，f=ma。由于惯性力的作用，引起重物相对于框架作加速运动，这时框架与重物之间的距离x发生相应变化，其变化量△x与惯性力成比例，即与物体的振动加速度成比例。如图所示，它是把由重物、弹簧、阻尼、减震器组成的振子固定在框架上构成的。外框中间由弹簧连着一个重物，弹簧带动m上下振动，根据，得知，利用减震器稳定重物上下移动的距离，测量x值，得出，正比于，测出即可得出。
6. 以下为光纤多普勒测速装置的工作原理图

1） 请描述其工作原理
多普勒频移原理：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。
在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高 （blue shift）；当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低 （red shift）；波源的速度越高，所产生的效应越大。根据波红（蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。
2）分析其工作过程

激光器发射激光穿过透镜，进入具有分光作用的偏振光器，有部分激光送到B端面，其中激光一部分入射进入B端面，一部分反射又通过偏振光器回到激光器里。入射光经过光纤到达A端面，使运动粒子发生散射，由于平移关系，原有1与散射光2是否一致，利用1、2的关系，求出运动物体的速度v。
系统又附加了使让偏振态一致的偏振校正器，一部分光经过偏振校正器，透过接收透镜发射到光探测器，光探测器把接收的光转化为电信号，送到信号处理装置，进而输出。
7. 以下为Michelson干涉式光纤声发射传感器的工作原理图

（1） 请分析其工作过程（描述外界声信号是如何影响光纤相位变化）
激光器发出的光注入到耦合器，被3dB耦合器分成两束光，一束光在参考臂光纤中传播，另一束光在传感臂光纤中传输，外界信号S(t)作用在传感臂光纤上，外界因素引起传感臂与参考臂之间的相位差，光到达光纤的反射端面发生全反射，回程光在参考臂和传感臂中传输，通过3DB耦合器分光回到光电探测器中，通过光电探测器探测接收到的干涉信号条纹的变化，反映外界声信号的变化。

（2）使用的激光器为LD，若工作物质为GaAs，则它的发射波长是多少？工作物质为InGaAs，发射波长又为多少？
（GaAs：Eg=1.43eV InGaAs: Eg=0.96eV）

（1）

（2）

8. 以下为单光纤液位传感器结构的工作原理图

1） 请描述其工作原理
光强调制是光纤传感技术中相对比较简单，用的最为广泛的一种调制方法。基本原理是利用外界信号扰动改变光强(调制），在通过测量光强变化（解调）实现对外界信号的测量。外界信号控制发射光纤（接收光纤）出射端（入射端）；产生相应的线位移或角位移，导致进入接收光纤的光束被切割，从而对光纤传输的光强进行调制。
2）分析其工作过程
将光纤的端部抛光成45º的圆锥面。当光纤处于空气中时，入射光大部分能在端部满足全反射条件而返回光纤。当传感器接触液体时，由于液体的折射率比空气大，使一部分光不能满足全反射条件而折射入液体中，返回光纤的光强就减小。将两个光纤探头分别置于液面下和液面上，利用X形耦合器，由于不同介质的折射率不同，造成液面上的反射光能强，液面下的反射弱。如果发生液面升高现象，两个探头折射率一致，出现探测结果不同，于是报警。即可构成具有两个探头的液位报警传感器。同样，若在不同的高度安装多个探头，则能连续监视液位的变化。
三、 综合
1、下图为光纤电流传感器的原理图，请分析说明（1）此传感器的工作原理和工作流程（2）属于功能型还是非功能型（3）此传感器的调制类型（4）此传感器可用于什么场合？

答案：（1）工作原理：光偏振调制，是指外界信号（被测量）通过一定方式使光纤中光波的偏振面发生规律性偏转或产生双折射，从而导致光的偏振特性变化，通过检测光的偏振变化即可测出外界被测量。
物质在磁场的作用下使通过的平面偏振光的偏振方向发生旋转，这种现象称为磁致旋光效应或法拉第（Faraday）效应。即处于磁场中的光纤会使在光纤中传播的偏振光发生偏振面的旋转，其旋转角度Ω与磁场强度H、磁场中光纤的长度L成正比式中V是菲尔德（Verket）常数，是光纤的材料常数。由于载流导线在周围空间产生的磁场满足安培环路定律，对于长直导线有H=I/（2πR），因此只要测量Ω，L，R的值，就可以由求出长直导线中的电流I。

工作过程：从激光器1中发出的激光束经起偏器2、物镜3耦合进入单模光纤4。6是高压载流导线，通过其中的电流为I。5是绕在导线上的光纤，在这一段光纤上产生磁光效应，使通过光纤的偏振光产生一角度为Ω的偏振面的旋转。出射光经偏振棱镜8把光束分成振动方向垂直的两束偏振光。再通过光探测器7变为电信号，分别送进信号处理单元9进行运算。最后计算输出的将是函数
（2） 属于功能型
（3） 偏振态调制型
（4） 应用：最典型的例子就是电力系统中高压传输线用的光纤电流传感器

2. 下图为光纤长周期光栅折射率传感示意图，请分析说明（1）此传感器的工作原理、过程及应用（2）如何进一步提高灵敏度（3）属于功能型还是非功能型（4）此传感器的调制类型

答案：（1）光波长调制，是指外界信号（被测量）通过选频、滤波等方式改变光纤中传输光的波长，测量波长变化即可检测到被测量，这种调制方式称为光波长调制。长周期光纤光栅是一种透射型光纤光栅，无后向反射，在传感测量系统中不需要隔离器，测量精度高。LPG的耦合发生在芯层导模与同向传输的包层模之间，因包层的渐逝场分布延伸到了包层外的介质中。这决定了LPG本质上对外界折射率非常敏感，尤其是当外界折射率接近包层折射率时更加敏感。过程：输入光纤的光模式包括芯模和包层模，当到达LPG光栅处，发生芯模继续沿着光纤纤芯进行传输，而包层模发生渐逝场的延伸与周围介质直接接触，于是在终端接收处反映了周围介质的变化量，对应输出为多强度震荡。应用：直接用LPG可以实现折射率的测量、用于化学浓度的指示等。

（2） 根据工作原理，（人们提出了应用不同光纤光栅来实现折射率的传感，并提出了许多种方法或手段来提高测量灵敏度，如腐蚀或侧面抛磨的FBG、LPG、闪耀光栅、多模光纤LPG、FBG构成的FFPI以及LPG构成的M-Z干涉仪等）
（3） 功能型
（4） 波长调制型
3.下图为膜片反射式光纤压力传感器示意图，请分析说明（1）此传感器的工作原理和工作流程（2）属于功能型还是非功能型（3）此传感器的调制类型（4）此传感器可用于什么场合？

答案：（1）利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，控制发射光纤（接收光纤）出射端（入射端）；产生相应的线位移或角位移，导致进入接收光纤的光束被切割，从而对光纤传输的光强进行调制。

因此，只要设计好合理的弹性元件及结构，就可以实现压力的检测。光纤束的一端分成两束，其中一束为输入光源光纤，一束为接收光纤，在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。
可见，在一定范围内，膜片中心挠度与所加的压力呈线性关系。若利用Y形光纤束检测位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。
（2） 非功能型
（3） 光强调制型
应用: 一架飞行器为了监测压力、温度、振动、起落驾驶状态、超声波场和加速度情况，所需要的传感器超过100个。
4.下图为线性调频半导体激光绝对干涉测距系统的结构示意图，请分析说明（1）工作流程（2）属于功能型还是非功能型（3）此传感器的调制类型（4）此传感器可用于什么场合？

答案：（1）工作流程：LD发射光源，调频光经校准后射向1／8波片和测量反射镜M,从1／8波片前表面的反射光作参考光.从测量反射镜M反射的光作为测量光波。二光波各自经过不等路径产生相对延时，然后会合在一起产生干涉并形成光拍。光拍频率与二波光程差 (1/8波片和反射镜M之间距离)d成正比。光拍信号由光电探测器件处理后,计算拍频周期数得到被测距离。该装置变为单频激光干涉仪，接助精密导轨可测量相对位移，分辨率0.02μm；1/8波片和偏振分光棱镜PBS使光电接收器PD1、PD2输出信号相位相差90°，可辨别位移方向。
（2） 非功能型
（3） 频率调制型
（4） 适合在工业现场使用
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