光电信息技术应用市公开课特等奖市赛课微课一等奖课件

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第1页

§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第2页

一．

直接作使用方法受被测物理量控制光通量，经光电接收器转换成电量后由检测机构直接得到欲测物理量，测量框图如图所表示。直接测量法最大优点是简单方便，仪器设备造价低廉。这种方法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场所。

依据检测原理光电检测基本方法有直接作使用方法、差动法、赔偿法和脉冲法等。§4.1.1光电检测基本方法3第3页§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，所得差或比反应了被测量大小。比如，用双光路差动法测量物体长度，如图所表示。

4第4页§4.1.1光电检测基本方法

1．调整：放入标准工件尺寸，调整光楔，使φ1＝φ2，使μA表读数为“0”。①当工件尺寸无误差时，使φ1＝φ2，光电传感器输出U无交变分量，见图。②当工件尺寸变小时，φ1>φ2，U＝S·(φ1-φ2)·R=S·Δφ·R。③当工件尺寸变大时，φ1<φ2，U＝S·(φ1-φ2)·R=－S·Δφ·R。2．测量：3．结论：1〕测量值大小决定于u幅值，测量值正负决定于u相位2〕测量精度和灵敏度大大提升。5第5页§4.1.1光电检测基本方法

4．相敏检波器(PSD)理论相敏检波器（Phase-Sensitive-Detector）关键是一个乘法器和一个滤波器，如图所表示，一路为有用信号uS，另一路为参考信号uR

，现设ui=uS=Ei

sin(ω1t+θ1)，uR=ERsin(ω2t+θ2)

则uo=ui·uR=1/2·EiERcos[2π(f1-f2)t+θ1-θ2]-1/2·EiERcos[2π(f1+f2)t+θ1+θ2]

在高频信号被滤波器滤去后，就有uo＝1/2·EiERcos[2π(f1-f2)t+θ1-θ2]

如f1＝f2，则uo＝1/2·EiERcos(θ1-θ2)=1/2·EiERcosΔθ

6第6页§4.1.1光电检测基本方法

4．相敏检波器(PSD)理论相敏检波器一个电路如图所表示，图中，uS'是信号线圈对uS感应电压，uR'是参考线圈对uR感应电压，uR和uS需满足以下三个条件：f1＝f2，uR>>uS，uR

和uS同相或反相。同相：当u

R为正半周时，uS'＋uR'＝uR1,，uS'－uR'＝uR2

uo＝uR1＋uR2＝2uS´，当uR为负半周，二极管不导通，uo＝0反相：当uR为正半周，－uS'＋uR

'＝uR1，－uS'－uR'＝uR2uo＝uR1

＋uR2＝－2uS´，当uR为负半周，二极管不导通，uo＝0这么，只要判断uo正负，就可知道被测工件正负偏差，只要测出uo大小，就可知道工件偏差值。

7第7页§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，可改用另一个PSD，如图所表示。

在相敏检波器中，参考信号要求同测量信号同频，可经过在调制盘上另装一套光电接收器而取得。如图所表示。8第8页§4.1.1光电检测基本方法

三、赔偿法用光或电方法赔偿由被测量改变而引发光通量改变，赔偿器可动元件联接读数装置指示出赔偿量值，赔偿值大小反应了被测量改变大小。1.单通道光电赔偿式测量该检测方法又称赔偿直读法，测量原理如图所表示。由光敏电阻RG和电阻R0、R1、R2组成电桥，当无光照时，调整Rw使电桥平衡，当信号光照射光敏电阻时，其阻值RG下降为R’G，使电桥失去平衡，检流计G中有信号输出。调整RW使电桥恢复平衡，调整RW时标尺指示器A随之移动，电桥平衡时，A指示数值就是待测量值大小。以上是单通道电赔偿一个例子。9第9页§4.1.1光电检测基本方法

2.双通道光电赔偿式测量在双光路差动法测量中，用相敏检波器输出量直接控制光楔上下移动，直到φ1－φ2＝0，即相敏检波器输出量为零，而光楔上下移动与一个读数机构相连，从读数机构得到读数恰好反应光通量改变量，也就是被测量值。

10第10页§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光通量转换成电脉冲，其参数（脉宽、相位、频率、脉冲数量等）反应了被测量大小。图给出了脉宽法测长原理。L＝vt＝vkN＝KN以上对零件尺寸测量都要求匀速直线运动，实现起来较为困难，所以惯用于精度要求不高场所。其中，k是高频脉冲时间当量，即表示单位高频脉冲所代表时间，而K是长度当量，即表示单位高频脉冲所代表长度。11第11页§4.1.1光电检测基本方法

在上面测量中，因为物体震动，马达电压频率波动等使v不匀速，这么就可带来测量误差。为了消除这些误差，高频脉冲可取之本系统马达或传送带转动轮上，图所表示是利用全脉冲法检测零件尺寸例子该方法测量结果和精度与传送带运动快、慢或短暂停顿都没相关系。但不应有零件与传送带之间或轮与轮之间相对移动。另外，如因磨损等造成D1、D2和D3改变，也会影响检测精度。主动轮转一周

工件移动D2

对应产生脉冲数D1n/D3

一个脉冲对应零件移动距离为

L＝D2D3/nD112第12页§4.1.1光电检测基本方法

2．

相位法测距带有测距功效望远镜是发射一束调制脉冲激光，再接收来自于被测物反射光。发射信号和接收信号相位差反应了被测物距离。设Vo和Vi分别代表发射脉冲和接收脉冲，如图4.1.1－9所表示，就可用高频填入法测出两信号相位差，再换算成相对应距离。V02Vi2VQnVQn+1

1000

1010

0101

0111

1100

1111

13第13页§4.1.1光电检测基本方法

3．

频率法测速图是测速原理框图。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，则只要控制在一定时间t内计数N，就可计算得到轮子转速。

f=nm/60=N/t，n=60N/(mt)14第14页§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发散角小，能量空间相对集中优点。同时还利用了激光脉冲连续时间极短，能量在时间上相对集中特点。所以瞬时功率很大，普通可达兆瓦级。脉冲激光测距工作原理见图。在1处产生激光，经过待测旅程射向2处。在2处装有向1处反射装置，1处至2处间距离D是待测。假如在1处有一个装置，它能够测出脉冲激光从1处抵达2处再返回1处所需要时间t，则D=ct/2，式中c为光传输速度。15第15页§4.1.2几何量检测

脉冲激光测距仪原理和结构较简单，测程远．主要缺点是绝对测距精度较低。精度要求较高场所可采取相位测距法。脉冲激光测距方框图见图。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第16页§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．惯用30m或50m卷尺(钢皮尺)一“链”复一“链”地进行测量，如图所表示，其结果是整“链”数与卷尺长度乘积再加上最终不足一整“链”过程可用下式表示

式中D——待测距离；Ls——测尺长度；N——零或正整数，即整链数；ΔL——不足整尺距离尾数。

D＝NLs+ΔL相位式测距仪采取了与上述相同方法来测量距离，不过它所采取测尺不是卷尺，而是“光尺”，这把“光尺”是经过对光强度进行调制实现。

17第17页§4.1.2几何量检测

测距用调制光波形如图所表示，若其调制频率为f，光速为c，则波长λ可由下式求出λ=c/f2．相位测距法因为调制光波在传输过程中其相位是不停改变。假如设光波从A到B点传输过程中相位改变(又称为相位移)为φ，则由图4.1.2—5看出，φ可由2π倍数来表示：φ＝M·2π+Δφ=(M+Δm)2π从图4.1.2—5可看出，光波每前进一个波长λ，相当于相位改变了2π，所以距离D可表示以下：D＝λ(M+Δm)18第18页§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4.1.2—6说明了光波在距离D上往返后相位改变。则2D=λ(N+Δn)或

D=λ(N+Δn)/2=Ls(N+Δn)式中N—零或正整数，为波长λ或相位2π倍数；Δn—是个小数,Δn＝Δλ/λ＝Δφ/2π；Ls—称它为测尺长度，Ls＝λ/2当距离D大于测尺长度Ls时，仅用一把“光尺”是无法测定距离。但当距离D小于测尺长度Ls，即N等于零时，式上变为D＝LsΔn＝LsΔφ/2π此时Δφ不会超出2π，测相系统能给出相位移确实定值，距离D也不存在多值解问题。19第19页§4.1.2几何量检测

假如被测距离较长，则能够选取一个较低测尺频率即测尺长度较长（大于待测距离）。但因为测尺长度越大，带来测距误差也会越大。比如仪器测相误差为0.1％，当测尺长度Ls＝10m时，会引发1cm距离误差；而当L＝1000m时，所引发误差就可达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Lsb(又叫粗测测尺)。比如选取两把测尺，其中Lsb=10米，Lsa＝1000m，用它们分别测量某一段长度为386.57m距离时，用Lsb测量时可得到不足10m尾数6.57m，用Lsa测量可得不足1000m尾数386m，将二者组合起来就可得386.57m，即6.57……Lsb读数，386

……Lsa读数，386．57m……两尺组合起来总读数20第20页§4.1.2几何量检测

二.直径光电检测1.大直径测量为了使用小口径透镜去测量大直径测件，能够采取双光路测量技术。图示出双光路测径装置原理图。图中1是氦氖激光器，2是旋转扫描镜。由电动机3带动扫描镜以一定速度旋转。光点F位于会聚透镜8和10焦点位置。其中4为分光棱镜，5、6、7为反光镜。

21第21页§4.1.2几何量检测

下面按标准直径为D0、大于或小于D0三种情况讨论。（a）被测件12为标准直径D0（b）被测件12直径小于D0（c）被测件12直径大于D022第22页§4.1.2几何量检测

2.小直径测量如图(a)所表示，当用激光器1或平行光照射细丝2时，在其后面相距较远屏幕3上便能取得夫琅和费衍射图像，o点最亮，被测细丝2直径d可按下式计算：

d＝λL/s图(b)示出测量细丝直径原理图。23第23页§4.1.2几何量检测

三.

光电测长普通单色光源单色性不够好，限制了可测量长度，且普通光源亮度也不够。自从激光诞生后，因为它单色性、亮度高，很快成了精密测量中理想光源。激光光波比长仪实质上就是一个以激光器作光源干涉仪，其简化结构如图，待测物体长度可按下式计算而得：L＝N·λ/2

式中L—待测物体长度；λ—光波长；N—计数器测得脉冲数。24第24页§4.1.3机械量检测机械量种类较广、检测装置各种多样，但从光电检测原理讲可归纳为以下两类：

1．先把机械量(如重力、压力、力矩、转速等)改变转换成几何量改变，再由几何量控制投射至光电器件光通量．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，则弹簧伸长量与框架2中物体3重量成正比。25第25页§4.1.3机械量检测2．若欲测机械量使投射至光电器件光通量以某一特定规律或周期地发生改变，则可利用光通量不停改变特定规律测出机械量。比如机械量使投射至光电器件光通量断续改变以得到光脉冲，然后由光脉冲多少或性质改变来检测机械量。例：把机械量变成光脉冲设轴4转速需测在轴4一端装一圆盘3，盘二分之一被抛光以形成反光面再用黑漆或其它涂料涂盘另一部分以形成无反光面。转轴4每分钟转数与光电器件2输出脉冲频率成正比，只要测出光电器件输出脉冲频率，即每秒钟脉冲数，就可测得轴4每分钟转数。上述是用光电方法测量机械量基本原理，各机械量测量大多数是其基本原理详细应用。26第26页§4.1.3机械量检测一．速度光电检测1．多普勒效应以V表示光源S对于观察者P相对运动速度，以

表示相对速度方向和光速进行方向(即光源到观察者方向)夹角(如图)。因为多普勒效应，观察者P接收到光波频率f可表示为:式中f0——光源发出原频率，c＝c0/n是光在介质中光速，其中c0是真空中光速，n是介质折射率。多普勒频移Δf为：27第27页可得在P'点接收光频为：

§4.1.3机械量检测

2．利用多普勒效应测量固体运动速度使用激光测速仪能够测量板、线、管材等速度。原理见图。多普勒频移Δf为：上式整理后可得物体运动速度：式中λ0=c/f0

。由上式可知，假如激光波长λ0已知，光电接收方向选定后，只要测出频差Δf，即可得到物体运动速度。28第28页§4.1.3机械量检测

二．

机械振动光电检测

1.光电测振原理在图(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上光通量增大时，另一光电器件6’上光通量降低，反之亦然。在图(a)中，重物2悬挂于弹簧1，光源3发出光线经过光阑4、镜5反射后投至光电器件6。重物2振动时，镜5亦伴随振动，因而引发光电器件6上光通量改变。在图(c)中光电传感器有成正确光栅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光通量亦伴随而改变

29第29页§4.1.3机械量检测

1.光电测振原理图(a)示出测量旋转体或旋转轴振动原理。

当旋转体振动时使一个光电器件上电流增大，另一个光电器件上电流减小，其原理示于图(b)。30第30页§4.1.3机械量检测

2.用PSD测量旋转轴振动用PSD测量旋转轴振动原理示意图如图。半导体激光器LD发出平行光照射于上下振动转动轴上，部分反射光照射在PSD接收面上，当主轴上下振动时，反射光斑在PSD上位置不停改变，这么PSD输出信号恰好反应了主轴振动情况，经过信号处理后主轴振动频率和振幅都能轻易得到。31第31页§4.1.4温度检测

§4.1.4温度检测

一．工作原理热体温度能够经过处理其所发出辐射能来求得。辐射高温计就是以发射体辐射强度和光谱成份来确定热体温度仪表。辐射高温计通常按绝对黑体辐射强度刻度，即当绝对黑体总辐射能与非黑体(实际物体)总辐射相等时，此时绝对黑体温度叫做非黑体辐射温度(黑体温度)。依据辐射温度定义，非黑体在真实温度T时总辐射能E等于黑体在温度T0时总辐射能，即:依据斯蒂芬－波兹曼定律。物体在单位时间内单位面积上，波长从0－

所辐射总能量为E＝

T4。32第32页§4.1.4温度检测

§4.1.4温度检测测量波长从0～整个波谱范围内辐射功率来确定温度仪器称为全辐射测温仪。但考虑到光电器件光谱响应以及光学系统光谱透过率等原因，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度目标时，石英透镜只能透过0.2~4m辐射，占总65％若采取PbS光敏电阻因为它光谱响应范围只占某一波段，其响应范围更小。非黑体实际温度T与黑体温度T0关系：要依据物体辐射作用来测量它们温度，首先测出它们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修正值而得到实际温度。33第33页§4.1.4温度检测

1、温度直接测量法原理框图如图所表示。当前光电高温计类型很多，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第34页§4.1.4温度检测

二．

部分辐射光电高温计1．原理采取光电信息转换器件对部分辐射进行敏感测量，采取赔偿法。2.结构结构框图如图所表示。图中，由热体辐射能量，经透镜聚焦后照射在调制盘上。35第35页§4.1.4温度检测

调制盘结构如图所表示，φ1为热体辐射光通量，φ2是参考光通量，调整可变电阻R可改变φ2光通量。由调制盘结构可知，φ1和φ2交替照射在光敏电阻上，光敏电阻输出U波形如图4.1.4－4.36第36页§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，依据两个辐射强度比值所求得是所谓比色温度Tc。比色温度Tc和实际温度T有以下关系：37第37页§4.1.4温度检测

式中，ελ1和ελ2是物体黑度系数，对于灰体来说，ελ1

ελ2

1，即比色温度与真实温度是一致。所以，比色温度概念是对两个波长引入，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比值，经过一定关系运算后就可得到被测温度。两个波段选择，在实用中，对于高温测量，因为辐射能量足够大，可将波段选得尽可能窄而且靠近，对于低温测量，辐射能量较小，可选两个较宽、不过尽可能靠近、甚至部分重合波段，以降低黑度系数影响。38第38页§4.1.4温度检测

2．

优点3．结构光电比色温度计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，如图所表示。

轻易测得物体真实温度，正确性好，稳定性好，测量距离远近，中间是否有介质吸收，热体大小等原因对温度测定影响较小。

39第39页§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。它光学系统如图4.1.4－6（a）所表示

，调制盘3布置见图4.1.4－6（b）40第40页§4.1.4温度检测

41第41页§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第42页§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联接器件。

继电器结构及工作原理如图4.2.1－1所表示。继电器电路符号如图4.2.1－2所表示。43第43页§4.2.1光电继电器

一．继电器原理44第44页二．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第45页二．光电继电器？亮通和暗通是相对而言，能够经过哪些方式将二者相互转换？？当光线较慢地连续改变，上述亮通或暗通控制电路有什么缺点？能够采取什么样方式赔偿这种缺点？三．用电子开关代替继电器继电器工作时优缺点：隔离高压区和低压区（使用安全）、工作可靠、但因为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略46第46页三．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，能够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第47页三．用电子开关代替继电器48第48页双向可控硅基本结构双向可控硅基本结构如图所表示。有两个主电极T1、T2（T2是电位参考电极）和一个门极。它能够看成是一对反并联普通可控硅晶体管。图中(a)为基本结构，(b)为双向可控硅符号，(c)为双向可控硅型号部颁标准。四．双向可控硅触发电路49第49页双向可控硅特征曲线如图所表示。从图中可知，高压正电压和反电压都能使可控硅导通，只要G对T2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，消耗功率也大，这时，一定要采取散热办法。

1＋1－3＋3－双向可控硅特征曲线50第50页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：T1对T2加正电压，G对T2加正电压；1－触发形式：T1对T2加正电压，G对T2加负电压；3＋触发形式：T1对T2加负电压，G对T2加正电压；3－触发形式：T1对T2加负电压，G对T2加负电压；双向可控硅使用时，普通采取第一和第三象限组合，但因为双向可控硅元件结构关系，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－触发组合方式使用较多。

双向可控硅触发方式51第51页五双向可控硅触发电路52第52页图(a)简单光控霓虹灯电路，采取光敏器件为光敏电阻；六光电继电器应用路灯、霓虹灯自动控制电路图(b)电路提升了霓虹灯控制灵敏度，采取光敏器件为光敏三极管；53第53页Ic1Ib2Ic2Vb1Vc2VEVccT1T2Vc1假定三极管发射极导通电压为0.7伏，则：Vb1-VE

=VBE1<0.7伏，T1截止，T2导通.若Vb1，使VBE1>0.7时，T1导通，则：Vb1Ic1Vc1Ic2

VBE1VE

若Vb1由大变小，使：Vb1-VE=VBE1只有0.7伏左右，Ic1开始减小，则：Vb1Ic1Vc1Ic2

VBE1VE

补充：施密特电路54第54页预防闪电等短时干扰路灯控制电路如图所表示

55第55页印刷机纸张监控器印刷机纸张监控器能够自动监测每次印刷纸张是否为一张，假如不是一张则发出报警讯响，停顿印刷图是监控器电路原理图。F1和F2是带施密特触发器电路，上触发和下触发有回差电压

56第56页电焊工电焊时普通都要带防护面罩，以保护眼睛被电焊强光刺激，现用液晶屏替换传统防护玻璃，可降低电焊时摘下防护罩看焊缝质量麻烦，提升工作效率。

光控电焊眼罩工作原理如图所表示。光控电焊眼罩？电路中各个部件作用？57第57页§4.3光纤通信

§4.3.1光纤通信原理及组成

§4.3.2光纤通信系统

§4.3.3光纤网络系统58第58页光发送机电发送机电接收机光接收机中继器§4.3.1光纤通信原理及组成光纤通信系统基本组成如图所表示，主要由3部分组成：光发送机，光纤传输线及光接收机。因为当前光纤通信系统基本上采取数字通信技术，所以只对数字光纤通信系统三部分进行介绍。59第59页一、光纤1、光纤（OpticalFiber）是由纯石英拉制而成高度透明玻璃丝。惯用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，而且纤芯折射率略高于包层折射率。2、光纤种类非常多，分类标准也不一样：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）按折射率径向分布不一样，光纤可分为：阶跃折射率分布光纤和渐变折射率分布光纤。如图所表示。ab纤芯包层涂层2a2bn1n2n0r2a2bn1n2n0r60第60页折射光抵达纤芯——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n2，则定义为3、光纤导光原理1）阶跃折射率分布光纤射线理论光纤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传输路径。全部>c光线都将被限制在光纤芯中，这就是光纤导光基本原理。

n2n1n0θi

r光纤一个外特征参量是光纤数值孔径(NumericalAperture)，它代表了光纤集光能力：NA=n0sin

i=n1cosc=(n12-n22)2在光纤技术中常引用相对折射率差φ61第61页2）利用导波理论可将光纤分为多模光纤与单模光纤。所以NA近似可表示为：NA数值孔径代表光纤集光能力，只取决于折射率，而与光纤芯径无关。这个结论在普通多模光纤中是正确。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干涉现象，数值孔径概念实际不存在。所以在单模光纤中不用数值孔径概念。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大小。多模光纤纤芯直径2a=50μm，单模光纤纤芯直径2a=8~12μm，包层直径均为50μm。在多模光纤中，能够激励起大量传输模式，不一样模式在横向功率分布是不一样，入射光功率按一定百分比分配给这些模式进行传输，不一样模式在轴向传输常数不一样。在单模光纤中，通常只能激励起一个模式，称为基模。3）光纤两个主要特征：损耗特征和色散特征62第62页63第63页二、光发送机

光发送机功效是未来自电发送机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光脉冲信号波形耦合到光源组件尾纤中数字光发送机组成框图如图4.3.1-6所表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第64页1、线路编码

电发送机输出是适合于电缆传输双极性码，而光源不可能发射负脉冲，所以要变换为适合光纤传输单极性码。数字光纤通信系统中，普遍采取二进制二电平码，有光脉冲表示“1”，无光脉冲表示“0”。但简单二电平码会带来一些问题。所以，要对来自电端机信号进行线路编码。2、光源与调制电路经过码型变换电脉冲信号码流对光源进行调制，将电信号转换为光信号。光源波长应位于光纤低损耗传输窗口，单色性要好，以减小光纤色散对带宽限制。当前光纤通信系统采取半导体激光器（LD）作为光源，在低通信容量系统中，也可选取LED做光源。电信号转换为光信号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IP输入电信号输出光信号IP输入电信号输出光信号IthIb65第65页101011APD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主要组成部分，其作用是未来自光纤光信号转换成电信号，恢复光载波所携带原信号。图4.3.1-8给出了数字光接收机组成框图。

66第66页1、光电检测器光电检测器是光接收机第一个关键部件，其作用是将由光纤传送来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10~20V反向偏压，但PIN管没有增益。APD管含有10~200倍增益，能够提升光接收机灵敏度，但需要几十伏以上偏压，增益特征受温度影响较严重2、前置放大器

经光电检测器检测到微弱信号电流，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灵敏度之外，前置放大器对光接收机灵敏度有十分主要影响。为此，前置放大器必须是低噪声、宽频带放大器。3、主放大器

主放大器用来提供高增益，将前置放大器输出信号放大到适合判决电路所需电平。前置放大器输出信号电平普通为mV量级，而主放大器输出信号电平普通为1~3V。

67第67页4、均衡器

光在光纤中传输时，因为将受到色散影响，信号将发生畸变与展宽，使码元间相互影响，出现误码。均衡器作用是对主放大器输出失真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，当在判决时刻输出电压信号比判决电平高，则判断为“1”码，不然判断为“0”码。这么，可在判决再生电路输出端得到一个和发送端发出数字脉冲信号基本是一致由矩形脉冲组成数字脉冲序列。为了准确地确定“判决时刻”，就需要从信号码流中提取准确定时信息用来标定，以确保和发送端一致。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。用该电压首先去控制光电检测器（APD管）反向偏置电压，另首先送到主放大器去调整主放大器工作点，以控制主放大器增益，从而使均衡器输出幅度稳定升余弦波，确保码元判决正确性。

68第68页一、时分复用系统§4.3.2光纤通信系统时分复用（TimeDivisionMultiplexing，TDM），是将不一样信道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含有非常宽带宽。在1.3μm(1.25~1.35μm)波段和1.55μm(1.50~1.60μm)波段，都含有高达100nm低损耗传输范围。另首先，作为光源半导体激光器线宽已小于0.1nm，所以，在一根单模光纤中，可同时传输多个不一样波长信号。波分复用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）技术正是基于这种思想，经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。69第69页图4.3.2-2为一单向传输WDM系统原理框图。n个光发送机发送出由不一样波长λ1，λ2，…λn承载光信号，经过光复用器耦合到同一根单模光纤中，经过光纤传输抵达接收端后，由解复用器将不一样波长信号在空间上分开，分别进入各自光接收机。对于长途通信，还需在传输光纤中加入中继器或光放大器，以赔偿光信号损耗。复用器解复用器…λ1λ2λnλ1λ2λnλ1λ2…λn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伴随1.55μm波段掺铒光纤放大器(EDFA)商用化，能够利用EDFA对传送光信号进行放大，实现超长距离无电再生中继传输，WDM系统得到了极其广泛应用。在1.55μm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WDM系统称为密集波分复用（DenseWavelengthDivisionMultiplexing，DWDM）系统。

70第70页1.复用器/解复用器

波分复用系统关键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λ1λ2λ3λ4λ1

λ2λ3λ4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所表示，当不一样波长入射光从同一角度照射到光栅上后，因为光栅色散作用，不一样波长光将以不一样角度反射，然后经透镜会聚到不一样输出光纤，实现解复用功效；反过来，能够完成光波复用功效。

71第71页2、光放大器

在长途DWDM系统中，需要对光信号进行中继放大。假如采取光电混合中继方式话，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。这么，将需要大量中继设备，系统成本非常高。宽带宽光放大器能够对多信道信号同时放大，而不需要进行解复用，当前应用最广泛光放大器是掺铒光纤放大器(ErDopedFiberAmplifier，EDFA)

铒是一个稀土元素，在制造光纤过程中，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所表示。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第72页§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第73页§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强度调制型传感器结构如图所表示。传感光纤被夹在一个变形器中，变形器含有一定变形函数，当外力使变形器上下两部分靠近，则光纤将会按照变形器变形函数形状发生弯曲变形，光纤中传输光产生损耗。所以由光纤中光功率数值可得到诸如压力、位移等被测量大小。光输入光输出变形器多模光纤LΛ微弯损耗光纤传感器原理74第74页设光纤微弯变形函数为正弦型式中D(t)——外界信号造成弯曲幅度；q——空间频率；z——变形点到光纤入射端距离；设光纤微弯变形函数微弯周期为

，则有依据光纤模式理论，可得到微弯损耗系数近似表示式:75第75页式中——百分比系数；——光纤中产生微弯变形长度；——光纤中光波传输常数差；式表明，

与光纤弯曲幅度D(t)平方成正比，弯曲幅度越大，模式耦合越严重，损耗就越高。

还与光纤弯曲变形长度成正比，作用长度越长，损耗也越大。

与光纤微弯周期相关，当时产生谐振，微弯损耗最大。所以，从取得最高灵敏度角度考虑，需要选择适当微弯周期。76第76页二、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改变引发相位差（应变效应或热胀效应），第二项为光纤折射率改变引发相位差（光弹效应或热光效应），第三项为光纤芯径改变引发相位差（泊松效应）。对调制在相位中信号需要进行解调，用于光相位解调干涉结构有各种，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。光波经过长度为光纤，其相位延迟为其中为光波在光纤中传输常数，＝nk077第77页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，基本结构如图所表示。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，然后分别被端面反射镜反射回各自光纤中，在信号臂光纤中传输光波相位被调制，在参考臂光纤中传输光波相位与外界无关。被反射回来光波在3dB耦合器另一端汇合，产生干涉条纹，信号由与此端相连探测器接收。1）迈克尔逊干涉仪

78第78页光源信号臂参考臂3dB探测器3dB(b)马赫-陈德尔干涉仪光源探测器传输光纤3dBM1M2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-陈德尔干涉仪优点是克服了迈克尔逊干涉仪中反馈光波对光源影响，得到广泛应用。

在斐索干涉仪中，光源发出相干光束经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反射镜反馈回光纤中，这两部分反馈光在耦合器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升外部反馈光耦合效率。这种干涉仪特点是结构非常简单，经过改变光纤端面与外部反射镜间距就能够实现对光纤中光波相位调制。79第79页现以双光束干涉仪为例来分析干涉场。设信号光与参考光场强分别为：

两光束相干产生干涉场分布为对应光强分布为这么，可将相位改变转换为强度改变，能够取得被测信号大小。80第80页光纤光栅是利用光纤光折变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性改变，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅依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（FiberBraggGrating，FBG）是一个反射型滤波器件，其机理是后向传输LP01模与前向传输LP01模之间发生耦合，依据相位匹配条件，要求光栅周期很小，普通小于1μm。FBG传输特征如图所表示。λIFBG反射谱λBλI输入谱λIFBG透射谱λB三、光纤光栅传感器

FBG反射光波中心波长为

81第81页因为光纤光栅栅距是沿光纤轴向分布，所以在外界信号如温度、压力作用下，光纤将产生轴向应变与折射率改变，栅距也随之改变，造成反射波长改变：光纤光栅反射波长受到被测量调制产生偏移，解调出波长改变就能够得到被测量。解调方法有光谱法，用光谱仪直接测量反射谱或透射谱，是最简单方法，但光谱仪价格较高，而且不适合在线实时测量。另外还有波长扫描法、光学滤波法及干涉法。在此介绍干涉解调法。由光纤光栅反射回来光波进入不等臂马赫-陈德尔干涉仪，设干涉仪参考臂与测量臂几何长度差为，则干涉信号相位为：当反射波长改变，则干涉信号相位亦随之改变，改变量为：由相位改变量能够得到波长偏移量，进而取得温度或压力信息。82第82页四、法拉第电流传感器

法拉第电流传感器是利用光纤磁光效应实现电流测量，按调制参数分类，则属于偏振调制型。磁光效应，又称法拉第（Faradag）效应，是指一些物质在外磁场作用下，使经过它线偏振光偏振方向发生