光纤传感器（二）：光纤模式、传输损耗、传感器组成、分类与光纤布拉格光栅

光纤传感器（二）：光纤模式、传输损耗、传感器组成、分类与光纤布拉格光栅

本文件是《传感器与检测技术》课程中光纤传感器章节的第二部分，内容涵盖光纤模式（单模与多模光纤的详细对比）、光纤传输损耗的五种类型、光纤传感器的基本工作原理与组成（光源和光探测器）、光纤传感器的两种分类方式（按功能分为功能型/非功能型，按调制光波参数分为强度/相位/波长/时分/偏振调制），以及光纤布拉格光栅（FBG）的工作原理、优异性能和应用领域。

核心内容

• 光纤模式：光波在光纤中的传播途径和方式。单模光纤纤芯直径9-10μm，传输单一模式，信号畸变小、容量大，但制造连接困难、成本高，适用于远程通信；多模光纤纤芯直径50-62.5μm，传输多种模式，模间色散大、性能较差，但制造连接容易、成本低，是网络传输介质主体。
• 传输损耗：包括本征损耗（瑞利散射、固有吸收）、吸收损耗（杂质、密度不均匀）、散射损耗（拉制粗细不均匀）、弯曲损耗（挤压、弯曲）、对接损耗（不同轴、端面不平、熔接质量差）。
• 光纤传感器工作原理：外界因素（温度、压力、电场、磁场、振动等）作用于光纤时，引起传输光波特征参量（振幅、相位、频率、偏振态等）变化，通过测量这些变化确定对应物理量的大小。
• 光纤传感器组成：除光纤外，必须有光源（相干光如激光器，非相干光如白炽光、LED）和光探测器（光敏二极管、光敏晶体管、光电倍增管）。
• 光纤传感器分类：按功能分为功能型（传感型，光纤本身作为敏感元件）和非功能型（传光型，光纤仅作传输介质）；按调制光波参数分为强度调制、相位调制、波长（频率）调制、时分调制和偏振调制五种。
• 光纤布拉格光栅（FBG）：纤芯折射率沿纤芯呈周期性变化的光纤，形成窄带滤波器或反射镜。通过外界物理参量对布拉格波长的调制获取传感信息，具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小、重量轻、免受电磁场干扰、灵敏度高、可靠性强等优异性能。单路光纤可制作上百个光栅传感器，特别适合组建大范围测试网络，实现分布式测试。

关键公式

• 多普勒频移公式（式9-19、9-20）：运动物体靠近光源时 $f\text{'}=f_i/(1-v/c)\approx f_i(1+v/c)$；远离光源时 $f\text{'}=f_i/(1+v/c)\approx f_i(1-v/c)$。

开放问题

• 阶跃型折射率光纤与渐变型折射率光纤的特性差异（文档以问题形式提出但未解答）。
• 光纤多普勒血液流量计的便携式改进方案（文档以问题形式提出）。