2012光纤传感复习题
1、石英玻璃光纤的包层材料是: B
A．与纤芯完全相同的石英玻璃 B. 与纤芯有点不同的石英玻璃
C. 塑料
D. 有机聚合物
2、光纤传光原理是 C
A．直线传播 B. 单色传播 C. 全反射 D. 无吸收
3、低色散多模光纤纤芯和包层折射率应满足B
A．相等 B. 相差很小 C. 相差很大 D. 不一定
4、单模光纤的数值孔径 D
A．越大越好 B. 越小越好 C. 应为一定值 D. 不一定
5、归一化频率V是与光波频率和光纤结构参数有关的参量，通常用它表示光纤传导的 D
A．色散 B. 带宽 C. 最高频率 D. 模式数
6、由于单模光纤只传输一种模式，因而它不存在 D
A．色散 B. 脉冲展宽 C. 带宽限制 D. 模间色散
7、石英单模光纤中损耗的功率主要是因为 C
A．色散 B. 吸收 C. 散射 D. 模式耦合
8、对多模光纤，按单位长度计算的均匀损耗这一概念不成立。因为存在 D 。
A．色散 B. 吸收 C. 散射 D. 模式耦合
9、非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为传输介质，它常用于传输 D 的光信号
A．相位不变 B.幅度不变 C. 偏振方向不变 D. 来自远处或难以接近场所10、当光纤周期性微弯时，会引起光纤中的 D ．
A．散射增加 B. 吸收增加 C. 色散增大 D. 模式增多
11、长度为L的光纤产生的相位延迟为 C
A．Δφ=0 处 B. Δφ=2πL C. Δφ=2πnL/λ D. Δφ= L/λ
12、马赫—泽德光纤干涉仪最多需要 B 3dB耦合器
A．1个 B. 2个 C. 3个 D. 4个
14、“正交状态”是指干涉仪的两臂光波间的相对相位为 B 。正交检测方式的
优点是探测相位灵敏度最高。
A．π/4 B. π/2 C. π D. 2π
15、许多物质在磁场的作用下可以使穿过它的平面偏振光的偏振方向旋转，这种
现象称为 A 。
A．法拉第效应 B. 普克尔效应 C. 多普勒效应 D. 弹光效应
16、光纤互连时功率损耗的原因之一---数值孔径不匹配是因为两光纤 D 。
A．纤芯直径不一样 B. 包层直径不一样
C. 纤芯以及包层的直径不一样
D. 纤芯与包层的折射率差不一样
17、通常所说的单模光纤是针对 D 而言.
A．可见光 B. 紫外光 C. 红外光 D. 1310nm或1550nm波长
18、通常单模光纤和多模光纤在 D 上没有区别。
A．纤芯直径 B. 包层直径 C. 色散 D. 数值孔径
19、判断光纤是单模光纤还是多模光纤的参数是 C
A．纤芯直径 B. 包层直径 C. 归一化频率 D. 数值孔径
20、光纤的衰减(或损耗)越大， C 。
A．传输容量越小 B. 传输速率越慢 C. 传输距离越短 D. 传输带宽越窄
21、长波长（>1650nm）光纤吸收损耗 A 散射损耗.
A．大于 B. 小于 C. 等于 D. 不一定大于或小于
21、材料色散和模间色散同时存在于 A 。
A．多模光纤中 B. 单模光纤中 C. 多模光纤和单模光纤中 D.不能同时存在
22、低色散光纤纤芯和包层折射率应满足B
A．相等 B. 相差很小 C. 相差很大 D. 不一定
23、由于单模光纤只传输一种模式，因而它不存在 D
A．色散 B. 脉冲展宽 C. 带宽限制 D. 模间色散
24、物质在压力作用下可以使通过它的光波产生双折射，这种现象称为 D 。
A．法拉第效应 B. 普克尔效应 C. 多普勒效应 D. 光弹效应第二部分：填空题
1、光纤是传光的 纤维波导 或 光导 纤维的简称。材料由高纯度的 石英玻璃 为主, 掺少量杂质锗、硼、磷等。
2、光纤传光原理是 全反射 ，纤芯和包层折射率应满足 n 1> n 2 。
3、光纤的数值孔径表达式为 ；它反映光纤的 集光 能力。
4、归一化频率V 是与光波频率和光纤结构参数有关的参量，通常用它表示光纤所传导的模式数。其定义式 ；单模光纤对归一化频率的要求是V<2.405。
5、由于单模光纤只传输一种模式，因而它不存在 模间色散 ，只有模内色散，即 材料色散 和 波导色散 。
6、对 多 模 光 纤，按单位长度计算的 均 匀 损 耗 这一概念不成立。 只有在 稳态模式 分布的条件下，才能得到唯一代表光纤特性的损耗值。
7、功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为 敏感元件 ； 非功能 型光纤传感器，光纤仅作为 传输介质。
8、光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为：
强度调制光纤传感器； 相位调制光纤传感器； 频率调制光纤传感器；
偏振调制光纤传感器； 波长(颜色)调制光纤传感器
9、当光纤空间状态发生变化时，会引起光纤中的 模式耦合 ，其中有
些导波模变成了辐射模，从而引起损耗。
当Δβ= │β-β′│ = 2π/Λ时，相位失配为零，模间耦合达到最佳。
10、长度为L 的光纤产生的相位延迟为 2πnL/λ 。
11、“正交状态”是指干涉仪的两臂光波间的相位差为 90°。正交检测方式的优点是：探测相位灵敏度最高。
12、当外加电场作用在透明物质上时，各向同性物质的光学性质发生变化，产生 双折射现象 ，这种效应称作 克尔效应 。
13、许多物质在磁场的作用下可以使通过它的平面偏振光的偏振方向旋转，这种现象称为 法拉第效应 ，其典型应用是 测量电流、磁场 。
14. 光纤布拉格光栅的反射波长为 Λ=eef b n 2λ ，外界作用改变光纤光栅的 有效折射率、栅距 。
15、在频率调制光纤传感技术中，频率调制方法是基于 多普勒 效应来实现的。
16、相位调制光纤传感器必须采用干涉仪使相位变化转换为光强变化， 所用的干涉仪有 M-Z 干涉仪、迈克尔孙干涉仪、Sagnac 干涉仪、F-P 干涉仪 。
17、光纤衰减特性的测量方法有截断法、 插入法 、 背向散射法； 截断法测量中，注入装置的作用是 保证稳态模功率分布 。
18、光纤色散的二种测量方法是相移法和 脉冲延时法 ，相移法是测量 不同波长的正弦调制信号的相位移变化，将其转换后得到光波传播的相对时延。
19、弱导波光纤的纤芯和包层的折射率应满足 相差很小 ；在弱导波光纤中，传播的光波为 线偏振 模式。
20、阶跃折射率光纤的子午光线轨迹为 平面折线 ；梯度折射率光纤的子午光线轨迹为 平面曲线 。
第三部分：简答或问答题
1、分别画出光纤马赫—泽德干涉仪和光纤迈克尔逊干涉仪示意图，并说明它们的特点。
迈克尔逊光纤干涉仪：1个3dB 耦合器，光源和探测器在同一端，有部分光返回到光源。
马赫—泽德光纤干涉仪：2个3dB 耦合器，光源和探测器在不同端，没有光返回到光源，可实现差分信号检测，消除误差影响。
2、截断法测量衰减（损耗）系数原理如图6-1所示，说明测量方法及注入系统所起的作用。
按衰减定义进行测量的方法，要求稳态注入条件。首先测量整根光纤的输出功率Pout ，然后在保持注入条件不变情况下，在离注入端约2m 长之处切断光纤，并测量输出功率P1。由于2m 长的衰减可忽略不计，故将P1看作是被测光纤的始端注入功率Pin 。按照定义
。可得αα)/(lg 10km dB P P L in
out -=
注入系统作用：测量单模或多模光纤，测量装置基本相同，只是注入条件有所不同。对于单模光纤，通常采用透镜系统或尾纤作为注入系统来激励被测光纤；多模光纤采用滤模器滤模和包层模剥离器，以获得稳态模分布注入条件，从而使光纤衰减与长度近似成线性关系。
3、下图是纤芯（红色）和包层（绿色）折射率随温度的变化曲线，简述其作为温度报警器的原理。
利用这一原理可构成温度报警器。选择具有不同折射率温度系数的材料作纤芯和包层。当T 4、相位调制振动传感器如图所示。（1）说明工作原理；（2）说明参考光束来自何处。 激光束通过倾斜透射/反射镜（镜的背面镀全反射膜）、部分反射镜R 入射到振动体上的一点，反射光作为信号光束；参考光束是从部分反射镜面R 上反射产生的。由于振动体使反射点靠近或远离光纤，从而改变了信号光束的光路长度，相应改变了信号光和参考光的相位差，产生了相位调制。信号光与参考光之间的相位差为 d 为平衡位置。通过解调方式给出的相位调制，就能得到上述相应振动的振幅。 5、简述微弯效应制作的位移传感器工作原理。 利用微弯效应制作的位移传感器是一种典型的光强调制式光纤传感器。微弯变形器位移使光纤发生微弯变形，改变模式耦合，导波模转换为包层模（辐射模），造成传输损耗。接收端放置包层模剥离器或采用光阑挡住包层模，探测器只接收) cos (411t U d ωλπ?+=? 导波模。这样。微弯程度不同，接收到的强度也不同、从而实现了光强度的调制。由于光强与位移之间有一定的函数关系，所以利用微弯效应可以制成光纤位移传感器. 6、简述图中电流传感器工作原理。 从激光器发出的激光束经起偏器变成线偏振光，再经显微物镜耦合到单模光纤中去。高压裁流导线，绕在导线上的光纤，在这段光纤中产生法拉第磁光效应，使通过光纤的偏振光产生偏振面的旋转。出射光由显微镜耦合到袄拉斯顿棱镜。经棱镜把光束分成振动方向相互垂直的两束偏振光，最后分别送人探测器，计算及显示。 7、设平板玻璃折射率为1.5，放在水中（水的折射率1.3），问光线在水中传播能否在玻璃表面产生全反射？为什么？ 不能产生全反射，因为是从光疏介质（折射率小）到光密介质（折射率大）反射。 8、光纤光栅按周期长短可分为短周期光纤光栅和长周期光纤光栅，说明各自的特点。 短周期光纤光栅：周期小于1微米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，特点是传输方向相反的两个导波模之间发生耦合，属于反射型带通滤波器，反射中心波长Λ=eef b n 2λ。长周期光纤光栅：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。特点是同向传输的纤芯导波模向包层模转换，无后向反射，属于透射型带阻滤波器。 9、下图是一种微弯曲光纤水声传感器，说明其工作原理，并说明光纤微弯传感器中为什么要使用多模光纤、包层模剥离器和激光光源？ 当绕在圆筒上的光纤受力作用时，光纤空间状态发生变化（微弯）时，会引 起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗。 采用激光光源可以在多模光纤中产生有限的模式，采用宽光谱光源将在多模光纤中产生无限多的模式，从而引起损耗较小，降低灵敏度。 采用多模光纤可以适当增加传输功率；采用包层模剥离器不让包层模功率进入探测器，测量的结果才能反映被测信号。 10、为什么说，对多模光纤按单位长度计算的均匀损耗这一概念不成立？请说明单模光纤和多模光纤的衰减测量有何异同。 答：因为多模光纤存在模式耦合，不同长度的模式耦合强度不同，初始段耦合较强，随着传输距离增加，耦合减弱，使长度损耗不均匀。多模光纤的衰减测量需要注入系统，而单模光纤的衰减测量不需要。 11、说明马赫—泽德尔光纤温度传感器工作原理，并解释为什么采用氦氖激光器和单模光纤。 当测量臂光纤受到温度场的作用后，温度变化引起光纤折射率变化（光弹效应）和光纤长度变化（热膨胀效应），从而产生相位的变化，引起干涉条纹的移动，干涉条纹移动的数量反映出被测温度的变化。 采激光器是保证激光的单色性，如果是宽谱光源，不同波长的光各自形成干涉条纹，明暗条纹对比度降低，甚至模糊不清。。因为多模光纤会使传输后的光束变为非相干光，没有固定相位。 12、偏振调制型光纤传感器中常用的物理效应有哪些？据此推断可用于哪些物理量的测量？ 法拉第效应、旋光效应、光弹效应、克尔效应。利用法拉第效应可测量电流和磁场；利用旋光效应可测量溶液浓度；利用光弹效应可测量压力、应变；利用克尔效应可测量电压。 13、为什么对光纤光栅加上铝套管，其测温的灵敏度要高于裸光纤？ 因为铝材料的热膨胀系数高于光纤（玻璃），这样可提高灵敏度。 14、如图所示是能同时测量电压和电流的复用式光纤传感器，电-光光纤在地和高压输电线之间用作传输通道。说明其工作原理。 AB段和CD段为电光-光纤，其线性双折射的大小正比于沿光纤路径的电压，于是B、D点光的椭圆偏振度由电压决定。BC段是标准的低双折射光纤，在电流作用下产生法拉第偏振旋转。在接收端将椭圆度和偏振矢量取向各自分开。利用偏振作为二个信息的载运者，可同时测量电压和电流。 15、在光纤参数测试中，常采用稳态注入或满注入条件。说明什么是稳态注入，什么是满注入。对于微弯损耗测量，应采取什么注入方式？ 稳态注入仅注入较低阶的模式，入射到光纤的近场光斑半径和远场光功率分布的半幅值孔径角都比较小；满注入激励所有的导模，入射到光纤的近场光斑半径和远场光功率分布的半幅值孔径角都比较大。对于微弯损耗测量，应采用稳态注入条件，即仅激发低阶模。 16、什么是稳态分布？对于短光纤（小于2米），能否自动达到稳态分布？如果达不到，可采取什么方法？ 模式功率分布不再随传输距离变化，光纤输出端和输入端远场辐射角和近场光斑尺寸相一致，衰减符合长度相加性。对于短光纤（小于2米），不能自动达到稳态分布，应采用注入系统（扰模器、滤模器、包层剥离器），使通过注入系统的光功率达到稳态分布。 光纤传感器基础实验 王帅 （哈尔滨工程大学13-3班75号，黑龙江省哈尔滨市 150001） 摘要：光纤传感实验仪开发研制的目的是将光纤传感这一现代技术进行广泛的普及和渗透。了解光纤传感仪试验仪的基本构造和原理，学习和掌握其正确使用方法；了解光纤端光场的径向分布和轴向分布的特点；定量了解一种光纤的纤端光场的径向分布和轴向分布；学习掌握最基本的光纤位移传感器的原理。通过对光纤接受端电压的测量，可以间接测量光纤端轴向和径向的光场强度的分布。 关键词：光纤传感器；轴向；径向；光强分布 Optical Fiber Sensor Based Experiment Wang shuai （Harbin Engineering University, Harbin,150001,Chnia） Abstract：The purpose of the development of fiber optic sensing experimental kits is to make this technology popularization. Understanding the basic structure and principle of fiber optic sensing experimental kits,learning and mastering the correct using method; Understand the radial and axial distribution characteristic of the fiber end; Learning to master the basic principle of optical fiber displacement sensor. By measuring the voltage of the optical fiber acceptting, optical fiber end light field intensity distribution of the axial and radial can be measured indirectly. Key words：fiber optic sensing experimental kits；axial; radial; light intensity distribution 0 引言 光纤传感实验仪是由多种形式的光纤传感器组成，是集教学和实验于一体的传感测量系统。它具有结构简单，灵敏度高，稳定性好，切换方便应用范围广等特点。在实验过程中，我们用光纤传感实验仪构成反射式光纤微位移传感器，可用于测量多种可转换成位移的物理量。 1 实验原理 1.1光在光纤中传输的原理 光在光纤中的传输依据是光学中的全反射定律。普通石英光纤的结构包括纤芯、包层和 2、光在光纤中传输是利用光的（折射）原理。 5、光纤通信系统中最常用的光检测器有：（ PIN光电二极管）、（雪崩光电二极管）。 6、要使物质能对光进行放大，必须使物质中的( 受激辐射 )强于( 受激吸收 )，即高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数。物质的这一种反常态的粒子数分布，称为粒子数的反转分布。 7、在多模光纤中，纤芯的半径越( 大 )，可传输的导波模数量就越多。 9、（波导色散）是指由光纤的光谱宽度和光纤的几何结构所引起的色散。 11、PDH的缺陷之一：在复用信号的帧结构中，由于( 开销比特 )的数量很少，不能提供足够的运行、管理和维护功能，因而不能满足现代通信网对监控和网管的要求。 12、光接收机的主要指标有光接收机的动态范围和（灵敏度）。 13、激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的（阈值条件）。 14、光纤的（色散）是引起光纤带宽变窄的主要原因，而光纤带宽变窄则会限制光纤的传输容量。 15、误码性能是光纤数字通信系统质量的重要指标之一，产生误码的主要原因是传输系统的脉冲抖动和（噪声）。 二、选择题：（每小题2分，共20分。1-7:单选题，8-10：多选题） 4、CCITT于（）年接受了SONET概念，并重新命名为SDH。 A、1985 B、1970 C、1988 D、1990 6、掺铒光纤放大器（EDFA）的工作波长为（）nm波段。 A、1310 B、1550 C、1510 D、850 7、发光二极管发出的光是非相干光，它的基本原理是（）。 A、受激吸收 B、自发辐射 C、受激辐射 D、自发吸收 9、要精确控制激光器的输出功率，应从两方面着手：一是控制（ B ）； 一、判断题 1.传感器的传感元件通常情况下直接感受被测量；√ 2.对于所有的二阶传感器，总是希望其固有频率越高越好；× 3.一般情况下，设计弹性敏感元件时，若提高灵敏度，则会使其线性变差、固有频率提高； × 4.应变片的基长越长，则应变片的动态特性越好；× 5.变磁阻式电感传感器属于互感型的电感传感器；× 6.压电式传感器不能测量恒定不变的信号；√ 7.惯性式振幅计，在设计时尽量使其固有频率低。√ 8.传感器的重复性误差是属于系统误差；× 9.传感器的敏感元件通常情况下不直接感受被测量；× 10.传感器实现波形测试不失真的条件是：传感器的幅频特性和相频特性均是常数；× 11.传感器弹性敏感元件的固有频率越高，则传感器的灵敏度越低，线性度越差；× 12.应变式传感器采用半桥连接时，若供桥电源波动的误差为2%，则由此引起的电桥信号 输出波动的误差为1% 。× 13.压电片采用并联连接后，更适合于测量快速变化的信号；× 14.圆柱形弹性元件受力产生的应变大小与圆柱的长度无关；√ 15.驱动电缆法实际上是一种等电位屏蔽法；√ 16.差动变压器采用差动整流电路后，次级电压的相位和零点残余电压都不必考虑；√ 17.希望压电传感器的电阻率高，介电常数小；× 18.半导体光吸收型光纤温度传感器是属于传光型光纤传感器；√ 19.传感器的动态灵敏度就是传感器静态特性曲线的斜率；× 20.按照能量关系分类传感器可分为结构型传感器和物性型传感器；× 21.激波管产生激波压力的恒定时间越长，则可标定的下限频率越低；√ 22.压阻效应中由于几何形状改变引起的电阻变化很小；√ 23.光导摄像管是一种固态图像传感器；× 24.热释电型红外传感器必须进行调制。√ 25.传感器的幅频特性为常数，则传感器进行信号的波形测量时就不会失真。× 26.等截面梁的不同部位所产生的应变是不相等的。√ 27.一般来说，螺管型差动变压器的线性范围约为线圈骨架长度的二分之一。× 28.压电常数d32所表示的含义是：沿着z轴方向受力，在垂直于y轴的表面产生电荷；× 29.涡流式电感传感器属于互感型的电感传感器；× 30.金属丝的电阻应变效应中，引起电阻改变的主要原因是电阻率的改变；× 31.压电常数d ij中的下标i表示晶体的极化方向，j表示晶体受力的性质；√ 光纤传感器的位移特性实验报告 一、实验目的 了解光纤位移传感器的工作原理和性能。 二、基本原理 本实验采用的是传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y型光纤，半园分布即双D型一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距X，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量，而光电转换器转换的电量大小与间距X有关，因此可用于测量位移。 三、需用器件与单元 光纤传感器、光纤传感器实验模板、数显单元、测微头、直流源、反射面。 四、实验步骤 1、根据图1-6安装光纤位移传感器，二束光纤插入实验板上的座孔上。其内部已和发光管D及光电转换管T 相接。 图1-6光纤传感器安装示意图 2、将光纤实验模板输出端V O1与数显单元相连，见图1-7。 图1-7光纤传感器位移实验接线图 2、调节测微头，使探头与反射面圆平板接触。 3、实验模板接入±15V电源，合上主控箱电源开关，调R W、使数显表显示为零。 4、旋转测微头，被测体离开探头，每隔0.1mm读出数显表值，将其填入表1-4。 表1-4光纤位移传感器输出电压与位移数据 5、根据表9－1数据，作光纤位移传感器的位移特性，计算在量程1mm时灵敏度和非线性误差。 五、实验数据处理 1、实验数据： 2、光纤传感器位移与输出电压特性曲线： 3、1mm时的灵敏度与非线性误差： 用最小二乘法拟合的直线为： 灵敏度为0.1458V/mm 在0.45mm处取最大相对误差为：0.07V 非线性误差为： 六、思考题 光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些什么要求？ 答：表面要干净没有污点，而且光洁度要好；再因为一定要可以反射光，因此一定不能出现黑色表面的情况。 试题2 《光纤通信技术》综合测试（二） 一、填空题 1、为了使光波在纤芯中传输，包层的折射率必须纤芯的折射率。 2、光纤的典型结构是多层同轴圆柱体，它由、和三部分组成。 3、光纤通信中常用的三个低损耗窗口的中心波长是：，， ；最低损耗窗口的中心波长是在： 。 4、光纤的色散分为色散 色散色散和色散。 5、光与物质的粒子体系的相互作用主要有三个过程是：，， ；产生激光的最主要过程是： 。 6、光源的作用是将变换为；光检测器的作用是将 转换为。 二、单项选择题 1 光纤通信指的是：[ ] A 以电波作载波、以光纤为传输媒 介的通信方式； B 以光波作载波、以光纤为传输媒 介的通信方式； C 以光波作载波、以电缆为传输媒 介的通信方式； D 以激光作载波、以导线为传输媒 介的通信方式。 2 光纤单模传输条件，归一化频率V应满足：[ ] A V>2.405 B V<2.405 C V>3.832 D V<3.832 3 使用连接器进行光纤连接时，如果接续点不连续，将会造成：[ ] A 光功率无法传输； B 光功率的菲涅耳反射； C 光功率的散射损耗； D 光功率的一部分散射损耗，或以 反射波形式返回发送端。 4 在激光器中，光的放大是通过：[ ] A 光学谐振腔来实现； B 泵浦光源来实现； C 粒子数反转分布的激活物质来 实现； D 外加直流来实现。 5 掺铒光纤的激光特性：[ ] A 主要由起主介质作 用的石英光纤决定； B 主要由掺铒元素决 定； C 主要由泵浦光源决 定； D 主要由入射光的工 作波长决定 6 下面说法正确的是：[ ] A 多模光纤指的是传输多路信号； B 多模光纤可传输多种模式； C 多模光纤指的是芯径较粗的光纤； D 多模光纤只能传输高次模。 7 下面哪一种光纤是色散位移单模光纤？[ ] A 光纤； B 光纤； C 光纤； 实验题目：光纤传感器 实验目的： 掌握干涉原理，自行制作光线干涉仪，使用它对某些物理量进行测量， 加深对光纤传感理论的理解，以受到光纤技术基本操作技能的训练。实验仪器： 激光器及电源，光纤夹具，光纤剥线钳，宝石刀，激光功率计，五位调 整架，显微镜，光纤传感实验仪，CCD及显示器，等等 实验原理：（见预习报告） 实验数据： 1.光纤传感实验（室温：24.1℃） （1）升温过程 （2）降温过程 2．测量光纤的耦合效率 在光波长为633nm条件下，测得光功率计最大读数为712.3nw。数据处理： 一．测量光纤的耦合效率 在λ=633nW，光的输出功率P1=2mW情况下。在调节过程中测得最大 输出功率P2=712.3nW 代入耦合效率η的计算公式： 3.56×10-4 二．光纤传感实验 1.升温时 利用Origin作出拟合图像如下： B 温度/℃由上图可看出k=5.49±0.06 根据光纤温度灵敏度的计算公式,由于每移动一个条纹相位改变 2π，则 Δφ=2π×m （m 为移动的条纹数） 故灵敏度即为 因l=29.0cm 故其灵敏度为±1.30）rad/℃ 2.降温时 利用Origin 作出拟合图像如下： -40 -20 A B 由上图可看出k=7.45±0.11 同上： 条纹数 温度/℃ 灵敏度为 因l=29.0cm 故其灵敏度为±2.38）rad/℃ 由上述数据可看出，升温时与降温时灵敏度数据相差较大，这是因为在升温时温度变化较快，且仪表读数有滞后，所以测出数据较不准确，在降温时测出的数据是比较准确的。 思考题： 1.能否不用分束器做实验？替代方案是什么？ 答：可以，只要用两个相同的相干波波源分别照射光纤即可，这样也可造成光的干涉。 2.温度改变1℃时，条纹的移动量与哪些因素有关？ 答： （1）与光纤的温度灵敏度有关 （2）与光纤置于温度场的长度有关 3.实验中不可用ccd是否能有办法看到干涉条纹？替代方案是什么？ 答：可以。可以用透镜将干涉条纹成像在光电探测器上进行测量。 实验小结： 1.光纤的功能层非常脆弱，光纤剥离过程中要使力均匀，不可用力过猛， 否则易造成光纤的断裂，必要时可分段进行剥离。 2.使用宝石刀进行切割时，要轻轻划一下，再将光纤弹断，直接切断会 造成光纤断面不平滑，导致测出的光纤耦合系数较低。 3.光纤传感实验时记录移动的条纹数时可自行在显示器上寻找参照点， 保证记录的准确即可。 一、填空题（20分) 1、目前光纤通信所用光波得光波波长范围为:0、８～1、8μm,属于电磁波谱中得近红外区。 2、光纤得典型结构就是多层同轴圆柱体，它由、与三部分组成. 3、光纤通信中常用得三个低损耗窗口得中心波长就是: , ，；最低损耗窗口得中心波长就是在: 。 4、光纤得色散分为色散色散与色散。 5、光与物质得粒子体系得相互作用主要有三个过程就是：，，；产生激光得最主要过程就是: 。６、光源得作用就是将变换为；光检测器得作用就是将转换为. 二、单项选择题(15分） 1光纤通信指得就是：［Ｂ] A以电波作载波、以光纤为传输媒介得通信方式； B 以光波作载波、以光纤为传输媒介得通信方式; C 以光波作载波、以电缆为传输媒介得通信方式; D 以激光作载波、以导线为传输媒介得通信方式。 2 光纤单模传输条件，归一化频率V应满足：［Ｂ］ -－－-A—V>2、40５——--—－B－V〈２、405-——－－-C- V＞3、832————－D- Ｖ〈3、832 3 使用连接器进行光纤连接时,如果接续点不连续，将会造成:[Ｃ］ A 光功率无法传输； B 光功率得菲涅耳反射; Ｃ光功率得散射损耗； D 光功率得一部分散射损耗，或以反射波形式返回发送端。 4 在激光器中，光得放大就是通过：［Ｃ] A 光学谐振腔来实现; B 泵浦光源来实现； C粒子数反转分布得激活物质来实现; D 外加直流来实现. ５掺铒光纤得激光特性：［B] A主要由起主介质作用得石英光纤决定; B 主要由掺铒元素决定; C 主要由泵浦光源决定; D 主要由入射光得工作波长决定. 三、（15分)如图所示,用射线理论分析子午光线在阶跃光纤中得传输原理. 传感器课程试题汇总 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 2 传感器与自动检测技术仿真试题一 一、单项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20 分） 在每小题列出的四个选项中只有一个选项是符合题目要求的，请将正确选项前的字母填在题后的括号内。错选、多选和未选均不得分。 1、下列不属于按传感器的工作原理进行分类的传感器是（ B ）。 A. 应变式传感器 B. 化学型传感器 C. 压电式传感器 D. 热电式传感器 2、传感器的下列指标全部属于静态特性的是（ C ） A．线性度、灵敏度、阻尼系数 B．幅频特性、相频特性、稳态误差 C．迟滞、重复性、漂移 D．精度、时间常数、重复性 3、测量者在处理误差时，下列哪一种做法是无法实现的（ A ） A．消除随机误差 B．减小或消除系统误差 C．修正系统误差 D．剔除粗大误差 4、电感式传感器采用变压器式交流电桥测量电路时，下列说法不正确的 是（ C ）。 A. 衔铁上、下移动时，输出电压相位相反 B. 衔铁上、下移动时，输出电压随衔铁的位移而变化 C. 根据输出的指示可以判断位移的方向 D. 当衔铁位于中间位置时，电桥处于平衡状态 5、关于压电式传感器中压电元件的连接，以下说法正确的是（ A ） A．与单片相比，并联时电荷量增加1倍、电容量增加1倍、输出电 压不变 B. 与单片相比，串联时电荷量增加1倍、电容量增加1倍、输出电 压增大1倍 第 1 页共 34 页 C．与单片相比，并联时电荷量不变、电容量减半、输出电压增大1倍 D. 与单片相比，串联时电荷量不变、电容量减半、输出电压不变 6、在红外技术中，一般将红外辐射分为四个区域，即近红外区、中红外 区、远红外区和（ D ）。这里所说的“远近”是相对红外辐射在电磁 波谱中与可见光的距离而言。 A.微波区 B.微红外区 C.X射线区 D.极远红外区 7、下列关于微波传感器的说法中错误的是（ A ） A.可用普通电子管与晶体管构成微波振荡器 B.天线具有特殊结构使发射的微波具有尖锐的方向性 C.用电流—电压特性呈非线性的电子元件做探测微波的敏感探头 D.可分为反射式和遮断式两类 8、若已知超声波传感器垂直安装在被测介质底部，超声波在被测介质中 的传播速度为1480m/s，测量时间间隔为200us，则物位高度为（ B ）A．296mm B．148mm C．74mm D．条件不足，无法求出 9、现有一个采用4位循环码码盘的光电式编码器，码盘的起始位置对应 的编码是0011，终止位置对应的编码是0101，则该码盘转动的角度可 能会是（ C ） A．45° B.60° C.90° D.120° 10、用N型材料SnO2制成的气敏电阻在空气中经加热处于稳定状态后， 与氧气接触后（B ） A．电阻值变小 B．电阻值变大 C．电阻值不变 D．不确定 二、简答题（本大题共5小题，每小题6分，共30分） 1、什么是传感器？传感器的共性是什么？ 答：传感器是能够感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器是实现传感功能的基本部件。 传感器的共性就是利用物理定律和物质的物理、化学或生物特性，将非 第 2 页共 34 页 光纤传感器位移特性实验报告 一、实验目的： 了解反射式光纤位移传感器的原理与应用。 二、实验仪器： 光纤位移传感器模块、Y型光纤传感器、测微头、反射面、直流电源、数显电压表。三、实验原理： 反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。其原理如图36-1所示：光纤采用Ｙ型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射面，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接收到的光源与反射体表面的性质及反射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射面时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。 图36-1 反射式光纤位移传感器原理图36-2 光纤位移传感器安装示意图四、实验内容与步骤 1．光纤传感器的安装如图36-2所示，将Y型光纤安装在光纤位移传感器实验模块上。探头对准镀铬反射板，调节光纤探头端面与反射面平行，距离适中；固定测微头。接通电源预热数分钟。 2．将测微头起始位置调到14cm处，手动使反射面与光纤探头端面紧密接触，固定测微头。 3．实验模块从主控台接入±15V电源，打开实验台电源。 4．将模块输出“Uo”接到直流电压表（20V档），仔细调节电位器Rw使电压表显示为零。 5．旋动测微器，使反射面与光纤探头端面距离增大，每隔０.1ｍｍ读出一次输出电压Ｕ值，并记录。 五、数据记录与分析 1、数据记录表格 X（mm）0.10.20.30.40.50.60.70.80.9 1.0 Uo(V)0.080.180.280.400.520.640.750.870.97 1.06 一、填空题（40分，每空1分） 1、光纤通信是光纤为传输媒质。以光波为载波的通信方式。 2、无源器件主要有光纤连接器、波分复用器、光调制器、光隔离器、光耦合器和光衰减器、光开关等。 3、单模光纤纤芯直径一般为 8~10um ，多模光纤纤芯直径为 50~80 um ，光纤包层直径一般为 125 um 。 4、光缆结构包括缆芯、铠装和护套。常用光缆有层绞式、骨架式、中心管式、带状式等结构。 5、光纤主要的传输特性是损耗和色散。 7、在光纤通信系统中，对光源的调制可分外调制和内调制两类。 8、掺铒光纤放大器应用方式有中继放大器、前置放大器和 后置放大器。 10、EDFA的泵浦结构方式有：a. 同向泵浦；b. ___反向泵浦____结构；c.双向泵浦结构。 11、SDH的主要复用步骤是映射、定位和复用。 12、光中继器实现方式有光-电-光形式中继放大器 和光放大器两种 1、为增大光接收机的接收动态范围，应采用（ B ）电路。 A．ATC B．AGC C．APC D．ADC 2、光纤数字通信系统中不能传输HDB3码的原因是( A ) A.光源不能产生负信号光 B.将出现长连“1”或长连“0” C.编码器太复杂 D.码率冗余度太大 4、在光纤通信系统中，EDFA以何种应用形式可以显著提高光接收机的灵敏度( A ) A.作前置放大器使用 B.作后置放大器使用 C.作功率放大器使用 D.作光中继器使用 5、STM－4每秒可传输的帧数是( D ) A.1000 B.2000 C.4000 D.8000 6、STM-N一帧的字节数是( C )。 A.2709 B.274N9 C.270N9 D.261N9 7、在光纤通信系统中，当需要保证在传输信道光的单向传输时，采用( B )。 A.光衰减器 B.光隔离器 C.光耦合器 D.光纤连接器 8、决定光纤通信中继距离的主要因素是( B ) A.光纤的型号 B.光纤的损耗和色散 C.光发射机的输出功率 D.光接收机的灵敏度 9、下列哪一个不是SDH网的特点( D ) A.具有全世界统一的接口标准 B.大量运用软件进行系统配置的管理 C.复用映射结构灵活 D.指针调整技术降低了设备复杂性 10、将光限制在有包层的光纤纤芯中的作用原理是（ B ） A.折射 B.在包层折射边界上的全内反射 C.纤芯—包层界面上的全内反射 D.光纤塑料涂覆层的反射 三、简答题（20分） 1、简述掺铒光纤放大器（EDFA）工作原理。（9分） 1、在掺铒光纤（EDF）中，铒离子有三个能级：基态E1、亚稳态E2和激发态E3。 当泵浦光的光子能级等于E3和E1的能量差时，铒离子吸收泵浦光的光能从基态跃迁到激发态，但激发态不稳定，电子很快返回到E2，若输入的信号光的光子能量等于E 2和E1之间能量差，则电子从E2跃迁到E1，产生受激辐射光，故光信号被放大。 2、光纤通信有哪些优点？（6分） 2、①传输衰减小，传输距离长。 ②频带宽，通信容量大。 ③抗电磁干扰，传输质量好。 ④体积小、重量轻、便于施工。 ⑤原材料丰富，节约有色金属，有利于环保 ⑥易碎不易接续。 3、什么叫光纤损耗？造成光纤损耗的原因是什么？（5分） 3、当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数α表示。 （dB/km）（3分） 损耗产生的主要原因是光纤材料的吸收、散射作用和光纤在使用过程中由于连接、弯曲而导致附加光功率损失。（2分） 传感器与自动检测技术 一、填空题（每题3分） 1、传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件、产生可用信号输出的转换元件、以及相应的信号调节转换电路组成。 2、金属材料的应变效应是指金属材料在受到外力作用时，产生机械变形，导致其阻值发生变化的现象叫金属材料的应变效应。 3、半导体材料的压阻效应是半导体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。 4、金属丝应变片和半导体应变片比较其相同点是它们都是在外界力作用下产生机械变形，从而导致材料的电阻发生变化。 5、金属丝应变片和半导体应变片比较其不同点是金属材料的应变效应以机械形变为主，材料的电阻率相对变化为辅；而半导体材料则正好相反，其应变效应以机械形变导致的电阻率的相对变化为主，而机械形变为辅。 6、金属应变片的灵敏度系数是指金属应变片单位应变引起的应变片电阻的相对变化叫金属应变片的灵敏度系数。 7、固体受到作用力后电阻率要发生变化，这种现象称压阻效应。 8、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。 9、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。 10、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化。 11、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化。 12、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化。 13、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用 实验二十五光纤传感器的位移特性实验 一、实验目的 了解光纤位移传感器的工作原理和性能。 二、实验内容 用传光型光纤测位移。 三、实验仪器 光纤传感器、光纤传感器实验模板、数显单元、测微头、直流源、反射面（用电涡流传感器的铁测片做反射面）。 四、实验原理 本实验采用的是传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y型光纤，半园分布即双D 型一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距X，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量，而光电转换器转换的电量大小与间距X有关，因此可用于测量位移。 五、实验注意事项 1、实验时注意光纤探头与反射面保持平行，调整光纤探头使其位于反射面的圆心上。 2、实验前应用纸巾擦拭反射面，以保证反射效果。 六、实验步骤 1、根据图9－1安装光纤位移传感器，二束光纤插入实验板上的座孔上。其内部已和发光管D及光电转换管T 相接。 图9－1 光纤传感器安装示意图 2、将光纤实验模板输出端VO1与数显单元相连，见图9－2。 图9－2光纤传感器位移实验接线图 3、调节测微头，使探头与反射面圆平板接触。 4、实验模板接入±15V电源，合上主控台电源开关，调RW使数显表显示值最小，然后微调测微头使数显表显示为0.000（电压选择置2V档）。 5、旋转测微头，被测体离开探头，每隔0.05mm读出数显表值，将其填入下表：（实验结论：1、本实验每隔0.05mm是相对位置，起始值看做0.05mm即可，无需从测微头上读绝对位置值。每旋转0.05mm，输出的电压的增量应该大致相等。2、由于学生做实验可能不能正确的找到起始点，导致采集的数据不在线性范围内，从而影响数据采集的线性度，可以让学生从选取的起始点开始计数，多计几组数据，然后选取线性度较好的十组数据，填入下表。3、如果只看本实验的线性情况，可选取十组较好的数据填入下表，若要看到光纤传 感器的整个变化趋势，则至少应该记录25组数据，其V—X曲线见思考题答案） 6、根据上表数据，作光纤位移传感器的位移——输出曲线图。计算在量程1mm时灵敏度和非线性误差。 七、实验报告 在实验报告中填写《实验报告二十五》，详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、 波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。 八、实验思考题 根据实验步骤（6）中的光纤位移传感器的位移——输出曲线图，分析其原理。 答：由光源发出的光经发射光纤传输后入射到被测物表面，经反射体反射后再经接收光 纤接收并传输至光敏元件。由于光纤有一定的数值孔径，当光纤探头紧贴反射体时，发射光 纤中的光不能发射到接收光纤中，因此接收光纤中无光信号；当光纤探头逐渐远离被测体时， 接收光纤中的光强越来越大，当整个接收光纤被全部照亮时，接收光强达到峰值；当反射体 继续远离时，将有部分反射光没有反射进Y型光纤束，接收到的光强逐渐减小。位移特性 如下图所示。 光纤通信基础复习题 及答案 光纤通信基础复习题 1．光通信的发展大致经历几个阶段？ 光通信的发展大致经历如下三个阶段 可视光通信阶段：我国古代的烽火台，近代战争中的信号弹、信号树，舰船使用的灯塔、灯光信号、旗语等，都属于可视光通信。 大气激光通信阶段：光通信技术的发展应该说始于激光器的诞生。1960年美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器，使人们开始对激光大气通信进行研究。激光大气通信是将地球周围的大气层作为传输介质，这一点与可视光通信相同。但是，激光在大气层中传输会被严重的吸收并产生严重的色散作用，而且，还易受天气变化的影响。使得激光大气通信在通信距离、稳定性及可靠性等方面受到限制。 光纤通信阶段：早在1950年，就有人对光在光纤中的传播问题开始了理论研究。1951年发明了医用光导纤维。但是，那时的光纤损耗太大，达到1000 dB/km，即一般的光源在光纤中只能传输几厘米。用于长距离的光纤通信几乎是不可能。1970年，美国康宁公司果然研制出了损耗为20dB/km的光纤，使光纤远距离通信成为可能。自此，光纤通信技术研究开发工作获得长足进步，目前，光纤的损耗已达到0.5dB/km（1.3μm）0.2dB/km（1.55μm）的水平。 2. 光纤通信技术的发展大致经历几个阶段？ 第一阶段（1966～1976）为开发时期. 波长: λ= 0.85um, 光纤种类: 多模石英光纤, 通信速率: 34～45Mb/s, 中继距离: 10km. 第二阶段（1976～1986）为大力发展和推广应用时期. 波长: λ= 1.30um, 光纤种类: 单模石英光纤, 通信速率: 140～565Mb/s, 实验数据范例 一、光纤测量重力 表一 砝码（g） 5 10 15 20 25 30 35 40 45 显示值(mv) 77 134 180 226 280 346 397 454 500 砝码（g）50 55 显示值(mv) 552 594 表一中的数据曲线图 表二 砝码（g） 5 10 15 20 25 30 35 40 45 显示值(mv) 73 126 163 223 273 338 397 458 520 砝码（g）50 55 显示值(mv) 575 630 表二中的数据曲线图 表三 砝码（g） 5 10 15 20 25 30 35 40 45 显示值(mv) 76 129 173 230 280 342 396 460 520 砝码（g）50 显示值(mv) 560 表三中的数据曲线图 二、温度测量 表四（升温） 温度（℃）20 25 30 35.6 40 45.7 50 56 60 显示值(mv) 2290 2150 1970 1665 1520 1263 1190 1000 940 温度（℃）64.7 70 75 80 85 90 95 100 105 显示值(mv) 850 760 720 600 583 475 406 294 150 表四中的数据曲线图 表五（升温） 温度（℃）20．9 25 30 35 40 45 50 55 60 显示值(mv) 2220 2155 1954 1720 1490 1300 1190 1040 960 温度（℃）65 70.5 75 78 85 90 95 100.3 105 显示值(mv) 826 740 713 640 580 475 390 304 217 表五中的数据曲线图 第二章 多传感器的光网络技术 2．2．1 网络损耗的主要来源 1．弯曲引起的光纤损耗（弯曲损耗） 弯曲损耗： 宏弯损耗 微弯损耗 1）光纤的宏弯损耗:曲率半径在一个临界值 c R ，c R R >时附加损耗可以忽略不计；否则， 弯曲损耗指数增加。确定R 值是很重要的。多模光纤cm R 1≥时，附加损耗可以忽略不计。 2）光纤的微弯损耗（1）多模光纤的微弯损耗多模光纤在微弯时，主要是相邻模之间发生耦合 弯波矢量 c k k ='（微弯周期c l l =）时，损耗最大。 c l l =处的主衰减峰的谱宽为L l c /22， 主衰减峰两侧还有次极大出现。③损耗与微弯振幅2 d A （平方）成正比（这一点可以加以利 用）。④损耗与微弯总长度L 成正比。 （2）单模光纤的微弯损耗 模斑半径越小，损耗越小。 2．光纤和光源的耦合损耗 1）半导体激光器和光纤的耦合损耗 半导体激光器发出的光不是圆的光班，其发散角在互为垂直的方向上也不一样大。 ()()?? ?????? ????????? ???? ? ??+???? ?? -=2 2 2exp ,,y x y x z A z y x I ωω 其中 x z x 0πωλω= ， y z y 0πωλω= （1）直接耦合的损耗 直接耦合：将光纤端面直接指向激光器发光面（点）。 举例：光纤NA=0.14，其孔径角 c θ2约为16°半导体激光管发散角//2θ（平行于PN 结） 仅为5°~6°，距离很近时，可以全部耦合；⊥θ2大于c θ2，不能保证全部的光都能进入光纤。 耦合效率的计算： ()()() ∞=?? ????? ? ????????????? ? ??+??? ? ??-==? ??? ∞ ∞ ∞ ∞ Berf dxdy y x s A dxdy z y x I P y x 002 2 0002exp 2,,2ωω ()?∞???????????? ??-???? ??=022exp 22dx x s A b x y ωωπ ()? ???? ??-???? ??=A y dt t A erf 022exp 22ωπ 误差函数y y t ω2= ， y dy dt ω= 在 s z =平面内，B 为常数。显然，包含在光纤孔径角// 2θ 内的光功率是 ()?? ???????=???? ??-???? ? ? =?? ? ??????????????????? ??+???? ??-=πλθπωλθωπωω202 02 2tan 22exp tan 222exp 20 c oy c oy x y y x berf dt t B dxdy y x s A P 估算，光纤端面损5%， 则 ()[] []%95/tan 2%950max ?∞=?=erf erf P P c oy λθπωη m oy μω05.0=，m μλ85.0=的激光和14.0=NA （?=8c θ）的直接耦合，max η约为 20%。 （2）透镜耦合的损耗 ①光纤端面磨成球面的耦合 ②柱透镜耦合 ③凸透镜耦合（也可用自聚焦透镜代替） ④圆锥表透镜耦合 2）半导体发光二极管和光纤的耦合损耗 发光管不同于激光器，其发光相当于余弦发光体。后者相光强分布相当于高斯形。用朗伯发光面（见固体光电子学），半球空间发出的总功率为 ?==20 02cos sin 22π πθθθπE E BA d BA P E A ——发光 面积，B ——光源亮度（单位面积向某方向单位立体角发出的光功率）； 通常，半导体二极管发光点的面积比光纤端面积小。 Ω=d BA dP E θcos ?==c c E E BA d BA P θθπθθθπ0 2sin 2cos sin 22 直接耦合时的最 大效率为 ()2 20 m a x s i n NA P P c == θη 举例：当14.0=NA 时，效率为2%，功率为5mW 的发光二极管，耦合入光纤的功率仅为 几十微瓦。采用透镜耦合，与激光管类似。 3．光纤和光纤的直接耦合损耗 1）多模光纤和多模光纤的直接耦合损耗 （1）轴偏离对耦合损耗的影响 （2）两光纤端面之间的间隙对耦合损耗的影响 （3）两光纤轴之间的倾斜对耦合损耗的影响 （4）光纤端面的不完整性对耦合损耗的影响 ①端面倾斜 ②端面弯曲 （5）光纤种类不同对耦合损耗的影响 ①芯径不同 ②折射率不同： 2）单模光纤和单模光纤直接耦合的损耗 （1）离轴和轴倾斜引起的损耗 （2）两光纤端面间的间隙引起的耦合损耗 （3）不同种类光纤引起的耦合损耗 2．2．2 光网络常用无源及有源光纤器件 属于有损耗器件：光连接器、光耦合器、光开关、光衰减器、光隔离器、光滤波器、波分复 用/解复用器等。1．熔锥型单模光纤光分/合路连接器2．磨抛型单模光纤定向耦合 3．光开关 1）机械式光开关（1）微光机电系统光开关微光机电系统MEMOS （2）金属薄膜光开关 2）电光效应光开关 4．掺杂光纤激光器与放大器（略） 5．光纤放大器（略） 2．3 光网络技术 2．3．2 成网技术 复用技术：光波分复用（OWDM ）、光时分复用技术（OTDM ）、光码分复用技术（OCDMA ）、 光频分复用技术（OFDM ）、光空分复用技术）OSDM ）、光副载波复用技术（OSCM ）。名词的英文全称。1．光纤时分复用网络 时分复用（time domain multiplexing ）——依时间顺序依次访问一系列传感器。 2．光纤频分复用网络 频域复用:调制频域复用（modulation frequency domain multiplexing, MFDM ） 波分复用（wavelength division multiplexing, WDM ） 1）调制频域复用 2）波分复用 3．光纤空分复用网络 如同打电话方式，一对电缆只供一对电话使用。长距离上用一对电缆同时供许多人通话——复用。如10芯×组×10带光缆 =5120芯，每缆可传1000Tb/s 2．4 光传感网实例——光纤光栅在传感中的应用 光纤光栅在使用中的问题： ① 波长微小位移检测（设备昂贵） ②宽光谱、高功率光源（不易获得）③光检测器波长分辩率的提高（直接关系到光纤光栅灵敏度的发挥） ④交叉敏感的消除（被测量和非被测量之间的相互影响） ⑤光纤光栅的封装（写光栅时去除了保护层，机械强度变差）⑥光纤光栅的可靠性（机械和光学特性抗拉、抗弯、反射率、透射率规定时间内无变化） ⑦光纤光栅的寿命（光栅在高温下会发生退火） 2．4．2 光纤光栅的传感网络 1．光纤光栅的波分复用 2．光纤光栅的时分复用 3．光纤光栅的时分复用和空分复用（略） 4．光纤光栅的空分复用和波分复用（略） 5．光纤光栅的空分、波分和时分复用的组合布 局 第三章 光电传感器中的光纤技 3．4 光纤的损耗 3．5 光纤的色散 （1）多模色散（群速不同） （2）波导色散（模的群速随波长变化） （3）材料色散（材料本身的色散）4）偏振（模）色散（轴不对称HE11x 模与HE11y 正交，光纤的轴不对称，两模群延迟不同。 3．6 光纤的耦合技术（略） 3．7 光纤中光波的控制技术 3．7．1 光纤偏振器 1．光纤偏振控制器 光纤中可利用光弹效应改变偏振态。光纤弯曲时，由应力作用引起折射率的变化 2 133.0? ? ? ??-=?-?=R a n n n y x δ 快轴——弯曲平面内 慢轴——垂直于弯曲平面。 当 m NR n λ πδ= 2|| （ 、、、321=m ），为 m /λ波片。例：m μλ63.0=的红 光， m a μ5.62=的光纤绕成mm R 6.20=的一个圈时，成为4/λ波片，两圈时，成为2/λ波片。 2．保偏光纤偏振器 实验二十六 光纤位移传感器测位移特性实验 一、实验目的：了解光纤位移传感器的工作原理和性能。 二、基本原理：光纤传感器是利用光纤的特性研制而成的传感器。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方(如高温区)，或者对人有害的地区(如核辐射区)，起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。 光纤传感器主要分为两类：功能型光纤传感器及非功能型光纤传感器(也称为物性型和结构型)。功能型光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤，构成“传”和“感”合为一体的传感器。这里光纤不仅起传光的作用，而且还起敏感作用。工作时利用检测量去改变描述光束的一些基本参数，如光的强度、相位、偏振、频率等，它们的改变反映了被测量的变化。由于对光信号的检测通常使用光电二极管等光电元件，所以光的那些参数的变化，最终都要被光接收器接收并被转换成光强度及相位的变化。这些变化经信号处理后，就可得到被测的物理量。应用光纤传感器的这种特性可以实现力，压力、温度等物理参数的测量。非功能型光纤传感器主要是利用光纤对光的传输作用，由其他敏感元件与光纤信息传输回路组成测试系统，光纤在此仅起传输作用。 本实验采用的是传光型光纤位移传感器，它由两束光纤混合后，组成Y 形光纤，半园分布即双D 分布，一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距d ，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量，如图26—1所示。 发射光 接收光 (a)光纤测位移工作原理 (b)Y 形光纤 图26—1 Y 形光纤测位移工作原理图 传光型光纤传感器位移量测是根据传送光纤之光场与受讯光纤交叉地方视景做决定。当 光纤通信原理试题＿1 参考答案 一、单项选择题（本大题共10小题，每小题1分，共10分） 在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。 1. 光纤通信指的是（ B ） A 以电波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式； B 以光波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式； C 以光波作载波、以电缆为传输媒介的通信方式； D 以激光作载波、以导线为传输媒介的通信方式。 2.已知某Si-PIN 光电二极管的响应度R 0＝0.5 A/W ，一个光子的能量为2.24×10－19 J ，电子电荷量为1.6×10－19 C ，则该光电二极管的量子效率为（ ） A.40％ B.50％ C.60％ D.70％ R 0=e /hf 3.STM-4一帧中总的列数为（ ） A.261 B.270 C.261×4 D.270×4 4.在薄膜波导中，要形成导波就要求平面波的入射角θ1满足（ ） A.θc13<θ1<θc12 B.θ1=0° C.θ1<θc13<θc12 D.θc12<θ1<90° 5.光纤色散系数的单位为（ ） A.ps/km B.ps/nm C.ps/nm.km ? D.nm/ps?km 6.目前掺铒光纤放大器的小信号增益最高可达（ ） A.20 dB B.30 dB C.40 dB D.60 dB 7.随着激光器使用时间的增长，其阈值电流会（ ） A.逐渐减少 B.保持不变 C.逐渐增大 D.先逐渐增大后逐渐减少 8.在阶跃型（弱导波）光纤中，导波的基模为（ ） A.LP00 值为0 B.LP01 C.LP11为第一高次模 D.LP12 9.在薄膜波导中，导波的截止条件为（ ） A.λ0≥λC B.λ0<λC C.λ0≥0 D.λ0≤1.55μm 10.EDFA 在作光中继器使用时，其主要作用是（ ） A.使光信号放大并再生 ? B.使光信号再生 C.使光信号放大 D.使光信号的噪声降低 二、填空题（本大题共20小题，每小题1分，共20分） 请在每小题的空格中填上正确答案。错填、不填均无分。 1.根据传输方向上有无电场分量或磁场分量，可将光（电磁波）的传播形式分为三类：一为_TEM_波；二为TE 波；三为TM 波。 2.对称薄膜波导是指敷层和衬底的_折射率相同_的薄膜波导。 3.光学谐振腔的谐振条件的表示式为________。q L c n 2=λ 4.渐变型光纤中，不同的射线具有相同轴向速度的这种现象称为_自聚焦_现象。 5.利用_光_并在光纤中传输的通信方式称为光纤通信。 6.在PIN 光电二极管中，P 型材料和N 型材料之间加一层轻掺杂的N 型材料，称为本征层（I ）层。 7. 光源的作用是将 电信号电流变换为光信号功率 ；光检测器的作用是将 光信号功光纤传感器基础实验
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