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光导纤维的原理及应用一、光导纤维的原理光导纤维是一种能够将光信号传输的特殊纤维。
它由一个具有较大折射率的光传导芯和一个包围着芯的折射率较低的包层组成。
光导纤维的原理可以分为以下几个方面：1.全反射原理：光在光导纤维中的传输是通过多次的全反射来实现的。
光在芯和包层的交界面上以一定的入射角入射，当入射角小于一定的临界角时，光将完全发生反射，并沿着纤维继续传输。
2.多模和单模传输：根据芯的直径和光波长的关系，光导纤维可以分为多模和单模两种。
多模光导纤维的芯直径较大，光信号在芯中可以传播多个模式，适合短距离传输。
而单模光导纤维的芯直径较小，光信号只能传播一个模式，适合长距离传输。
3.光纤衰减和色散：光导纤维在传输过程中会存在光信号衰减和色散的问题。
光信号的衰减主要是由于纤维材料的吸收、散射和弯曲损耗引起的。
而色散是由于不同波长的光信号在纤维中传播速度不同而引起的。
二、光导纤维的应用光导纤维作为一种重要的信息传输介质，在各个领域都有广泛的应用。
以下是光导纤维的几个主要的应用领域：1.通信领域：光导纤维在通信领域中得到了广泛应用，特别是在长距离通信中的优势更加明显。
光导纤维可以通过光的全反射原理将光信号传输到很远的地方，而且光信号不受电磁干扰的影响，传输速度也非常快。
目前，大部分的国际长途通信线路都采用了光导纤维来进行数据传输。
2.医疗领域：在医疗领域，光导纤维被广泛用于内窥镜、激光手术等设备中。
通过光导纤维，医生可以将光线引导到病患的体内，观察病变部位或进行手术治疗。
光导纤维可以实现非侵入性检查和手术，减少了患者的痛苦和创伤。
3.传感器领域：光导纤维传感器具有高灵敏度、高分辨率和抗干扰能力强的特点，被广泛应用于各种环境监测和测量领域。
例如，光导纤维温度传感器可以实时监测温度变化，并应用于工业生产、航空航天等领域；光导纤维压力传感器可以测量液体或气体的压力变化，应用于汽车制造、油气管道等领域。
4.军事和安全领域：光导纤维在军事和安全领域中也有重要应用。
1.一个完整的检测系统通常是由、_传感器____和___显示装置_____等部分组成。
2.按照获得测量值的方式可以分为偏差式测量、零位式测量和微差式测量。
3.测量仪表的显示方式有___数字______、____模拟_____和____图像_____三种。
4.电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器，主要类型有：变面积式、变间隙式、变介质式。
5.发电式传感器有热电偶、压电式等，参量式传感器有电阻、电感、电容等。
6.根据光导纤维在传感器中的作用，可以将光导纤维传感器分为__传光型（功能式）_和__非功能型_____两种类型。
7.在光电传感器中，被测量可通过造成__光源__或__光源通路__的变化，影响传感器输出的电信号。
8.石英晶体__纵向___压电效应产生的电荷量与晶片的几何尺寸无关，而___横向__压电效应产生的电荷量与晶片的几何尺寸有关；压电陶瓷是一种__多晶____铁电体（请选填“纵向、横向、单晶、多晶”）。
9.为提高光栅式测试系统的分辨率和测得比栅距更小的位移量，经常采用细分技术技术。
10.电焊条外面包有一层药皮。
在焊接时，药皮熔化，覆盖在高温熔融焊料上面，起隔绝空气、防止氧化作用。
如果药皮涂敷不均匀会影响焊接质量。
药皮越薄，电涡流探头与金属焊条的间距就越 ___小___ ，焊条表面的电涡流就越 ___大___ ，电涡流探头线圈的等效电感量L 就越 ___小___ ，调频式转换电路输出频率 f 就越 ___大___ 。
根据f 的大小可以判断出药皮的厚度是否合格。
11.电焊条外面包有一层药皮。
在焊接时，药皮熔化，覆盖在高温熔融焊料上面，起隔绝空气、防止氧化作用。
如果药皮涂敷不均匀会影响焊接质量。
药皮越厚，电涡流探头与金属焊条的间距就越 ___大___ ，焊条表面的电涡流就越 ___小___ ，电涡流探头线圈的等效电感量L 就越 ___大___ ，调频式转换电路输出频率 f 就越 ___小___ 。
光导纤维传感器在医疗装备中的应用随着技术的进步，光导纤维传感器在医疗领域的应用越来越广泛。
光导纤维传感器是一种能够将光信号转化为电信号的装置，其灵敏度高、精度高，能够实时准确地监测生物体内的各种参数，为医生提供科学的数据支持。
本文将探讨光导纤维传感器在医疗装备中的应用。
首先，光导纤维传感器在心脏手术中起到了重要作用。
心脏手术是一项精密而危险的手术，需要准确地监测患者的心脏血氧饱和度、心率和血压等指标。
光导纤维传感器可以通过将光信号传输到心脏血管中，准确测量患者的血氧饱和度，并根据不同的光反射情况提供准确的心率数据。
这为医生在手术中做出正确的决策提供了依据，并且降低了手术风险。
其次，光导纤维传感器在神经外科手术中也有广泛应用。
神经外科手术需要准确地定位和刺激神经组织，传统的方法往往会损伤周围的神经组织，导致术后不良后果。
而光导纤维传感器可以通过将光信号传输到神经组织中，实时监测神经电活动，并提供精确的刺激位置和强度信息。
这使得神经外科手术更加精确和安全，减少了对患者的伤害。
另外，光导纤维传感器在呼吸机监测中也有广泛应用。
呼吸机是一种用于辅助或代替呼吸的设备，对于呼吸道疾病患者来说尤为重要。
光导纤维传感器可以通过将光信号传输到患者的呼吸道中，实时监测呼吸气流和呼吸频率。
这可以帮助医生及时了解患者的呼吸状况，调整呼吸机参数，确保患者得到合适的呼吸支持。
同时，光导纤维传感器还可以测量呼吸道气道的压力和温度，为医生提供更全面的呼吸机监测数据。
此外，光导纤维传感器还可以应用于心脏起搏器的监测。
心脏起搏器是一种用于维持心脏正常跳动的装置，对于心脏病患者来说至关重要。
传统的心脏起搏器监测需要进行手术或体外检测，不仅痛苦，而且风险较高。
光导纤维传感器可以通过将光信号传输到患者的心脏起搏器中，实时监测起搏器的电活动和脉冲输出情况。
这为医生调整起搏器参数、评估起搏器工作情况提供了便利，同时减少了患者的痛苦和风险。
总之，光导纤维传感器在医疗装备中的应用具有广泛的前景。
电气工程中的新型传感器研究在电气工程领域，传感器扮演着至关重要的角色，它们就像是电气系统的“眼睛”和“耳朵”，能够感知各种物理量并将其转化为电信号，为系统的监测、控制和保护提供关键信息。
随着科技的不断进步，新型传感器的出现为电气工程带来了新的机遇和挑战。
一、新型传感器的类型与特点1、光纤传感器光纤传感器是一种基于光导纤维的新型传感器。
它利用光纤的特性，如对光的敏感、抗电磁干扰等，能够实现对温度、压力、应变等物理量的高精度测量。
光纤传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、耐腐蚀等优点，在电力系统的高压设备监测、电缆温度监测等方面有着广泛的应用前景。
2、智能传感器智能传感器是将传感器与微处理器相结合的产物。
它不仅能够进行信号的感知和转换，还具备数据处理、自我诊断和通信等功能。
智能传感器能够根据测量环境自动调整工作参数，提高测量精度和可靠性。
在电气工程中，智能传感器可以用于电机的故障诊断、电力质量监测等。
3、无线传感器无线传感器摆脱了传统有线连接的束缚，通过无线通信技术将测量数据传输到接收端。
这种传感器具有安装方便、灵活性高的特点，适用于对难以布线的区域进行监测，如大型变电站的设备监测、分布式发电系统的参数采集等。
4、生物传感器生物传感器是利用生物活性物质与物理化学换能器相结合的一种新型传感器。
在电气工程中，生物传感器可用于检测环境中的有害物质、生物电信号的测量等。
虽然目前在电气工程中的应用相对较少，但具有很大的发展潜力。
二、新型传感器在电气工程中的应用1、电力系统监测在电力系统中，新型传感器可以用于对变压器、开关柜等设备的温度、湿度、局部放电等参数的监测。
例如，光纤传感器可以安装在变压器内部，实时监测绕组的温度，避免过热故障；无线传感器可以布置在开关柜中，监测开关的动作状态和接触电阻。
2、新能源发电随着新能源的快速发展，新型传感器在太阳能、风能等发电系统中也发挥着重要作用。
在太阳能发电中，传感器可以监测光伏板的温度、光照强度等参数，优化发电效率；在风力发电中，传感器可以测量风速、风向、叶片的振动等，实现对风机的智能控制和故障预警。
光导纤维的原理和应用1. 引言光导纤维是一种基于光传输的通信技术，通过利用光的特性传输信息。
光导纤维具有低损耗、高带宽和抗电磁干扰等优点，因此在现代通信领域得到了广泛的应用。
本文将介绍光导纤维的工作原理以及在通信、医疗和科学研究等领域的应用。
2. 光导纤维的工作原理光导纤维是由一种或多种具有不同折射率的材料制成的，通常由内核和包层构成。
光信号通过光导纤维的内核传输，而包层则用于保护内核和限制光的传播路径。
光信号在光导纤维内通过全内反射的方式传输。
光导纤维的工作原理主要基于两个基本的物理原理：2.1. 全内反射全内反射是光在两种折射率不同的介质边界上的反射现象。
当光从折射率较大的介质传播到折射率较小的介质时，如果入射角大于一个临界角，光将会完全反射回折射率较大的介质中。
光导纤维的内核折射率较大，而包层折射率较小，因此光信号在内核中可以实现全内反射，从而保证光信号在纤维中的衰减非常小。
2.2. 多模和单模传输光导纤维可以分为多模和单模两种传输模式。
多模传输模式下，纤维内可以传播多束光信号，而单模传输模式下，纤维内只传输一束光信号。
多模传输适用于短距离通信，而单模传输适用于长距离通信和高速数据传输。
3. 光导纤维的应用3.1. 通信领域光导纤维在通信领域有着广泛的应用。
由于光信号的高带宽和低损耗特性，光导纤维成为了长距离通信和高速数据传输的理想选择。
光导纤维可以用于光纤通信网络、光纤宽带接入和光纤传感等方面。
3.2. 医疗领域在医疗领域中，光导纤维被广泛用于光学成像和激光手术等应用。
光导纤维可以通过将光信号引导到患者体内，实现非侵入性的内窥镜检查和光学显微镜成像。
同时，光导纤维还可以用于激光手术中光的传输和聚焦，使手术更加精确和安全。
3.3. 科学研究领域在科学研究领域，光导纤维的应用也非常广泛。
光导纤维可以用于光学传感和光谱分析等实验。
光导纤维的特性使得其能够传输光信号并将其引导到实验仪器中进行分析和测量，从而实现对物质性质的研究和分析。
光导纤维微传感器
王晓明;陈坚
【期刊名称】《化学传感器》
【年(卷),期】2002(022)003
【摘要】该文综述了光纤微传感器的研究进展.制成微米至纳米级微探头,并具有响应迅速的特点.文章还介绍了光纤微探头的制备、分子探针固定方法和仪器系统的结构.
【总页数】6页(P1-6)
【作者】王晓明;陈坚
【作者单位】新疆医科大学药学院,乌鲁木齐,830054;新疆医科大学药学院,乌鲁木齐,830054
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.2
【相关文献】
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光导纤维传感器一、概述1970年美国Cornig公司研制成功了传输损耗为20dB/km的石英玻璃光导纤维，这是光通信史上的一个划时代的贡献，它使得人类长期以来试图用光长距离传送信息的愿望得以实现。
此后，光导纤维的研制取得了突飞猛进的发展，到1979年，日本已研制出传输损耗仅为0.2dB/km的光导纤维。
与此同时，用于光纤通信的光源（半导体激光器LD，半导体发光二极管LED等），接收器件（PIN-PD，APD等）和其它相关技术也取得了长足的进步。
因此，光纤通信技术已步入实用阶段。
在通信中，用光代替电来传输信息，之所以非常优越，关键在于作为光信息载体的光导纤维本身具有许多优点：损耗低、传输频带宽、容量大、不受电磁干扰、绝缘性好、安全防爆、直径细、重量轻、可绕曲、耐腐蚀等。
由于光导纤维具有以上优点，所以很快被应用到了信号检测领域。
利用光导纤维的特性与传输的光学检测技术相结合，近年来国际上已研制出大量的光导纤维传感器，它们可广泛应用于工业，农业，生物医学，国防等方面的各种物理，化学参数的检测，解决了许多从前认为是难以解决，甚至是不能解决的检测技术难题。
因此，作为新型检测手段的光纤传感器技术得到了世界上许多国家的高度重视，尤其在近几年来，在实用化方面已得到了飞速发展。
二、光纤传感器技术的发展及其动向在国际上，以美国发展最快，投资大，成果多，许多项目获得专利。
美国光纤传感器消费量以年增长率为30%的速度增长。
全美国市场需要的传感器，1983年为10亿美元，到1993年将达到26亿美元。
今后美国在光纤传感器方面主要研究：●光纤传感器系统（FOSS）●现代数字光纤控制系统（ADOSS）●光纤陀螺（FOG）●核辐射监控（NRG）●飞机发动机监控（AEM）●民用研究计划（CRP）。
1英国十分重视光纤传感技术，许多研究所和大学都在进行光纤传感技术的研究，在特殊光纤的研究方面卓有成效。
日本光纤传感技术的研究已制定了庞大的计划，为赶上美国，不惜投入巨额资金，并计划将光纤传感器用于大型工厂，解决生产过程的检测、传输和控制问题。
自1983年4月在英国伦敦召开第一次国防光纤传感器学术交流会以后，又分别在法国、美国、日本等国每隔一年半时间召开一次国际学术会议。
我国在1983年由国家科委新技术局在杭州召开了第一次全国性光纤传感器会议。
目前研究工作主要在高校和研究所进行，对一般物理量如位移，温度，电磁参数等许多量的探测均有报导，也有部分产品投入市场。
今后光纤传感技术的研究工作主要集中于以下几方面：（1）研究光纤传感器专用的特殊光纤。
因为仅使用通信光纤制作光纤传感器有许多不足之处，根据光纤传感器的要求，制作特殊性能的光纤是发展光纤传感技术的关键。
（2）提高元器件，如光源、探测器、耦合器、偏振元件、接插件等的性能和稳定性，逐步定型生产，达到商品化，满足光纤传感技术的要求。
（3）随着单一光纤传感器逐步达到实用程度，进一步的工作是对于多点监测，遥测，微机联网等光纤传感器系统的研究。
（4）继续深入对光纤传感技术理论和单元技术的研究，发展新型原理的光纤传感器，解决漂移，抗干扰等问题，使尽快实用化。
（5）随着高新技术的不断发展，光纤工艺的不断改进，以及传感器市场的不断竞争，光纤传感技术一定会取得惊人的发展。
23§4-1光导纤维的基础知识1 光导纤维的理论分析 1.1光的全反射原理和光导纤维1.1.1光的全的全反射原理（是研究光导纤维的基础）在几何光学中，当光线由光密媒质（i n ）射入光疏媒质（t n ），且入射角大于临界角θc 时，就会发生全反射现象。
θc 由下式决定：itc n n =θsin (i t n n <)1.1.2普通光导纤维的构成普通光导纤维是一种透明的圆柱形细丝，它的中间是折射率较高的透明介质，称为光纤芯，外面一层为折射率较低的透明介质，称为包层。
其光纤的截面结构如下图。
(1次被覆层) (2次被覆层)光导纤维按其折射率在径向分布不同分为：阶梯折射率光纤（反射型光纤）；渐变折射率光纤（折射型光纤）。
阶梯折射率光纤 渐变折射率光纤41.2 阶梯折射率光纤中子午光线的分析 1.2.1子午光线的传输条件①子午光线：在光导纤维中，如果某光线的传输路径始终在同一平面内，则称之为子午光线。
②子午面：包含子午线的平面叫子午面。
对于圆柱光导纤维来说，子午面就是包含圆柱体轴线的平面。
n设一子午光线以入射角θ入射到光纤的端面，假设其到达光纤芯和包层界面上时满足全反射条件，则依靠不断的全反射，该光线即可在光纤中传输。
根据折射定律01sin 11sin n n nθθ==（0n -空气中折射率为1，1n -为光纤芯折射率）（1）sin θ=1n .sin 1θ=1n .cos φ （2）要在界面上满足全反射条件,必须满足 12sin n n >ϕ 由1cos sin 22=+ϕϕ知, 212)(1cos n n -< （3） 式中,2n 为光纤包层的折射率. （3）式代入（2）式sin θ<子午光线在光纤中传输的条件) （4）51.2.2 数值孔径（4）式反映了能在光纤内部传输的子午光线在光纤端面的入射角的范围.也就是说,要使子午光线能在光纤中传输,其入射角θ有一极限值M θ,M θ满足sin M θ=只有入射角M θθ<的子午线才能在光纤中传输.sin M θ即称为光纤的数值孔径,记为NA.即M n n NA θsin 2221=-= （5） 在1n 与2n 不是很大的情况下,我们定义:1212221222112n n n n n n n n -=-≈-=∆ ∆-为光纤的相对折射率差,则NA 又可表示为∆=21n NA数值孔径反映了光纤的集光本领,数值孔径越大,光纤对子午光线的集光本领越强.1.2.3 光纤弯曲对子午线传输的影响光纤的特点之一就是可以弯曲,但光纤弯曲后将对子午线的传输产生一定的影响.当光纤发生弯曲时,光线在内部的入射角φ将发生变化,并且此时子午面只有一个.图中0φ,1φ,2φ分别为子午线在光纤的直部、弯部外界面和内界面的入射角. 可以证明: 102φφφ<<假设入射角为0φ的光线正好满足全反射条件,则由于光纤弯曲后10φφ<,显然该光线在弯曲外界面不能满足全反射条件,将逸出界面.因此,当光纤弯曲时,一部分子午线将在弯曲部分逸出,从而引起传输损耗,这种损耗叫微弯损耗. 下面看概念.光纤的微弯损耗6一般,由于光纤芯的直径是很小的(几个微米至几百微米),当弯曲曲率半径相对于光纤直径来说很大时,局部仍近似于直线,因此弯曲损耗是可以忽略的.但当弯曲曲率半径较小时,其引起的损耗就不能忽略了,我们称这种弯曲损耗为光纤的微弯损耗.1.3 斜光线的分析入射到光纤端面的光线,除了子午光线外,还有许多斜光线. 所谓斜光线：是指与光纤中心轴线既不平行又不相交的光线.子午光线的传播路径始终保持在一个平面中,而斜光线在光纤中进行一次全反射,平面方位就要改变一次,其光路轨迹是空间螺旋折线,在光纤横截面上的投影如图传播路径截面投影 传播情况下面分析斜光线在光纤中的传输条件(如上图)。
设斜光线AB 由B 点入射,在C,D 等点发生全反射.过C,D 点分别作平行于轴线OO ’的直径与端面相交于P,Q 两点.'θ为光线BC 与轴线的夹角,90CBP αθ∠==-。
’,由于CBP 平面和端面BOP 垂直,故由立体任何公式有 cos .cos sin 'cos φαβθβ==cos （6）式中,OBC φ=∠为光线BC 与光纤界面过B 点的法线之间的夹角.将式(6)两边乘以1n 得11.sin 'cos n n φθβ=cos （7）由折射定律得1000sin 'sin sin n n n n θ==代入（7）式得10sin cos n φθβ=cos （8） 又因为满足全反射条件为 21sin n n φ>7代入（8）式得0sin θ<(斜光线能在光纤中传播的条件)能在光纤中传输的斜光线的最大端面入射角M H 为sin sin cos MM H θβ==式中,M θ为子午光线的最大入射角.讨论: ①因为0,cos 1ββ><,所以M M H θ>，即斜光线的极限入射角比子午光线要大.②当0β=时,即子午光线的情况,此时,M M H θ= ③通常把sin M H 称为斜光线的数值孔径.④斜光线的数值孔径>子午光线的数值孔径.⑤光纤弯曲同样引起一部分斜光线逸出光纤芯,引起传输损耗.1.4光在渐变折射率光纤中的传输 1.4.1光纤的径向折射率分布渐变折射率光纤芯中的折射率n(r)是径向距离r 的函数,中心折射率最大,随着半径增大而逐渐减小.径向折射率分布1.4.2光在多层介质中的传输光线在渐变折射率光纤中的传输情况可以作这样的解释: 假设将折射率不同的多层介质按折射率1234....n n n n >>>的次序叠在一起,如下面图n 6 n 光在多层介质中的传输8 则当光线从1n 介质入射时,光线发生多次折射,不断改变入射角,直到满足全反射条件后又折射回来,其轨迹为一条折线.1.4.3光线的传输轨迹①子午光线在渐变折射率光纤中n 1 n 2在渐变折射率光纤中,光纤芯折射率是连续变化的,因此,光线的传输轨迹将是一条光滑的曲线.上图即为子午光线在渐变折射率光纤中的传播轨迹.②斜光线在渐变折射率光纤中的传播轨迹对于斜光线,它在渐变折射率光纤中传输时是滚动前进的.n 1 n 2斜光线在渐变折射率光纤中的传播轨迹轴向投影,如上图.其轨迹在横截面的投影:截面的投影在特殊情况下,斜光线的前进轨迹的横截面投影为一圆,此时斜光线的前进轨迹为一条螺旋线.③子午光线在自聚焦光纤中的传播轨迹 可以证明:当渐变折射率光纤芯的折射率分布满足下式时2222241112()()sec ()()[1()()...]3n r n o h dr n o dr dr ==-+(9)9式中,1()n o 为光纤轴心的折射率,α为常数.所有子午光线将以相同的周期传输,其周期为 2π∧=讨论:(1) 对于满足(9)式的渐变折射率光纤,对子午光线具有聚合作用,即同一点入射的子午光线在传播了一定距离后又汇聚到一点.所以这种光纤又称为自聚焦光纤.(2) 以不同入射角入射的子午光线尽管走过的路程不一样,但它的轴向传播速度是相等的.在实际制作时,一般近似取式(9)中的前两项,即22211()()[1()]n r n o dr =- 满足上式折射率分布称为平方分布.10 2 光导纤维的特性 2.1光纤的传输损耗光在光纤传输过程中,由于种种原因将会产生损耗,损耗的程度可用衰减率来衡量. (1)衰减率定义:假设光纤的入射光强为0I ,经过1000m 传输后强度下降到1I ,则衰减率定义为衰减率1010lg I I =- dB/km(2)引起传输损耗的原因第一种为材料吸收。
