光纤原理

仪器简介：可开设实验：光纤应变传感原理实验；光纤温度传感原理实验 仪器特点： 本实验仪器采用光纤作为光的传输器件，通过光纤感应观察温度、应变的变化。其操作简单，易于观察传感现象。通过该实验仪的使用，学生可以更深刻地了解光纤传感的原理。 成套性：光纤传感仪，650nmFP光纤耦合型激光器技术参数：可开设实验：光纤应变传感原理实验；光纤温度传感原理实验 仪器特点： 本实验仪器采用光纤作为光的传输器件，通过光纤感应观察温度、应变的变化。其操作简单，易于观察传感现象。通过该实验仪的使用，学生可以更深刻地了解光纤传感的原理。 成套性：光纤传感仪，650nmFP光纤耦合型激光器主要特点：可开设实验：光纤应变传感原理实验；光纤温度传感原理实验 仪器特点： 本实验仪器采用光纤作为光的传输器件，通过光纤感应观察温度、应变的变化。其操作简单，易于观察传感现象。通过该实验仪的使用，学生可以更深刻地了解光纤传感的原理。 成套性：光纤传感仪，650nmFP光纤耦合型激光器

一、概述光时域反射计(OTDR)广泛应用于光纤及光缆的研究、生产、敷设及维护过程中。OTDR不仅能够测量光纤的位置/距离和损耗减,其独特的工作原理还使其可以从单端对整个光纤链路事件 (如接头,分路,缺陷,故障点等) 的幅度-位置特性进行定量测量。二、技术指标1、用于单模光时域反射仪的校准，具有单模光纤长度、光纤损耗计量功能；2、符合《JJG 959-2001光时域反射计检定规程》的要求；3、 工作波长1310nm、1550nm；4、长度(0~32)km，扩展不确定度优于U=(0.2+1.5×10-5L)m(k=2)；5、损耗扩展不确定度优于U=0.03dB/dB(k=2)。6、接口：光纤接口类型为FC/PC型；7、供电：供电电压220V±10V，50Hz~60Hz。三、OTDR计量参数的选择和测量原理1、OTDR计量参数的选择OTDR的生产厂家一般提供四项技术指标：位置/距离；损耗减；盲区和动态范围。其定义分别为：位置: OTDR 前面板与光纤一个特征点之间的距离(m)。距离: 光纤两个特征点之间的间隔(实际的或累积的)(m)。损耗减: 用dB表示的光功率的减小。如果用Pin (W) 表示进入一段光纤的功率，用Pout 表示离开另一端的功率，则这段光纤的衰减定义为：A = 10 lg(Pin / Pout )。盲区: 在一个反射或衰减事件之后的区域，在这个区域中，OTDR 显示的轨迹偏离未被干扰的背景轨迹的程度大于一个给定的纵坐标距离。动态范围: 使得背向散射信号等于噪声水平的衰减量。依照计量学的概念，并非所有可测量的量都具备计量上的意义。具有计量意义的量应具有以下性质：(1) 可定量测量；(2) 可以比对；(3) 具有溯源性。如果我们用上述标准衡量，OTDR的参数中，显然只有位置/距离和损耗减具备计量的溯源校准性质。 IEC94年发布的OTDR检定规程中也推荐检定这两项指标。OTDR的另外两项指标：盲区和动态范围仅是功能性的技术指标，既不需要专门的仪器设备，也不需要特殊的测试技术，只要OTDR的操作人员使用一段光纤，就可以依照定义直接测出。因此，我们在建立OTDR检定标准装置的课题中，勿需列入盲区和动态范围，但是如果用户要求，我们完全可以在用户的OTDR上立即实现其盲区和动态范围的测量。2、测量原理简介OTDR检定传递标准由光纤损耗传递标准和光纤长度传递标准部分组成。根据1994年国际电工委员会公布的“OTDR检定”IECTC86/WG4/SWG2文件，IEC推荐的OTDR的损耗标尺系数的检定方法有三种，即外光源法、标准光纤法和模拟接头法(又称标准损耗法)。本检定装置中是采用标准光纤法构成OTDT损耗传递标准的。其中选用的标准光纤满足以下条件：a）光纤的背向散射信号曲线与光信号传输的方向无关。b）光纤的背向散射信号的损耗与光纤的长度线性相关。同样根据JJG 959-2001 光时域反射计(OTDR)检定规程，OTDR的位置/距离标尺的检定，可用光纤循环延迟线法，由于循环延迟线法不仅测量精度高，便于传递且成本相对低，将二段优质光纤和一只宽光谱2×2耦合器按图一联接，其中引导光纤a的长度为2公里左右，作循环延迟线法的光纤b的长度12公里左右。光纤环RDL在OTDR上显示一系列在背向瑞利散射背景上由耦合器光纤尾端菲涅尔反射峰组成的”梳”状曲线。(如图2所示) 图2中，0号峰代表OTDR输出接头的反射。1号峰是光脉冲通过光纤1、耦合器和光纤2，并在光纤2远端反射，再沿原路返回到OTDR。2号峰一部分是光脉冲通过一次环路，经耦合器到光纤2远端反射，再经耦合器、光纤1回到OTDR；另一部分是光通过光纤1、耦合器和光纤2，并从光纤2远端反射后，经耦合器并通过环路一次，再经耦合器、光纤1回到OTDR。这两部分光虽然走过的路径不同， 但光程完全相等。其余的依次类推，只是光脉冲通过环路的次数不同。从1号峰起，每两个相邻的峰的间隔都是Lb/2，即环路的长度的一半。用数学表达式描述上述过程即： 1号峰位置 Lotdr.o = La 2号峰位置 Lotdr.1 = La + 3号峰位置 Lotdr.2 = La + Lb … … i 号峰位置 Lotdr i = La + 式中La是光纤循环延迟线引导光纤段长度；Lb是光纤环长度。 三、仪器操作程序1、仪器正常工作的条件a）放置OTDR传递标准装置的实验室应保持清洁,干燥.实验室应采取空调及恒温措施，温度应控制在20℃±3℃ ，在24小时内温度变化2℃.b） OTDR传递标准装置应放置在恒温实验室内24小时以上，使传递标准装置内的温度均匀。c） 被检测的OTDR按该仪器的说明书开机预热。d）注意检定测量所用的外连接跳线的长度值，（变换外连接跳线时，要注意对其数值进行测量和标注）2、OTDR损耗标尺系数的测量a）标准损耗Sref 和测量间隔△S的选择按照IEC TC86 / WG4 / SWG2的建议，选取标准损耗Sref~1dB测量间隔△S~2～3dB b）按图3连接测量装置 c）损耗标尺系数的测量①设置被测OTDR的群折射率nG＝1.4600②设置OTDR的中心波长λ0＝1310nm④设置衰减器, 使其引入衰减量为0dB选取被测OTDR的设置（如，测量范围，脉冲宽度，平均时间等）以便最大程度地发挥被测OTDR经标定后的测量精度。或是按照用户的要求选取被测OTDR的设置。用跳线连接被测OTDR的光输出端和标准光纤的正向输入端。移动OTDR的光标A，使A远离标准光纤前端产生的反射峰（使得实际反向散射曲线和反向散射曲线的直线部分向前方向的直线外延线之间的差足够小）；移动光标B，使AB之间光纤的损耗Sa.b 约等于1 dB。在被测OTDR上读取A，B间光纤段的衰减A01(dB/km)。用跳线连接被测OTDR的光输出端和标准光纤的反向输入端，按上述程序测量反方向的光纤衰减A02计算A0＝（A01＋A02）/2⑤调整衰减器引入插入损耗△S，重复2.3.2.1的测量，得到A1.1.，A1.2 ，算出A1＝（A11＋A12）/2⑥调整衰减器引入损耗2△S，重复2.3.2.1 测量，得到A2重复上述测量，直到衰减器引入损耗n△S，使得OTDR显示的标准光纤段反向散射曲线的噪声和OTDR测量损耗的分辨率处于同一量级（此时OTDR测量损耗 / 衰减的重复性明显下降）。⑦设置OTDR的中心波长λ0＝1.55nm。按以上步骤测量OTDR在1.55nm波长下的损耗减。⑧计算OTDR的损耗标尺系数SAj SAj为在功率水平“－j△S”下的损耗标尺系数。3、OTDR位置偏差的测量a）选择波长l=1310nm,群折射率nG=1.4600,脉冲宽度PW=100ns,测量范围3km左右,平均时间2min,对图二中的Lotdr.0进行测量，取两次测量结果的平均值作为测量值与标准值相减，D(L0) = (L0)otdr - (L0)ref其差值即为l=1310nm, PW=100ns, nG=1.4600的被测OTDR位置偏差。b）与步骤3.1相同，测出被测OTDR l=1310nm, PW=1ms, nG=1.4600的位置偏差。4、OTDR距离标尺系数的测量a）用被测OTDR测量标准光纤特征点的位置①设定被测OTDR的波长λ0＝1310nm，群折射率nG=1.4600②根据标准光纤循环延线反射峰的位置和损耗，选择OTDR的设置（如测量范围/分辨率，脉冲宽度，平均时间，缩放功能，等）以便最大程度发挥被检OTDR标定后的测量准确度③依次在被测OTDR上读取图二梳状反射峰前沿的位置，并记录为:L0, L1, L2,… … … , Ln直到接近OTDR测量动态范围的未端: 由于S/N下降，使得测量第(Ln＋1)个反射峰前沿位置时的定位重复性 选取的相应读数分辨率。b）数据处理参照JJG 959-2001 光时域反射计(OTDR)检定规程。c）标准光纤长度的温度修正光纤长度的温度系数α＝11.5x10-6，修正公式L＝L0＋L0´α(t-20)式中L实测光纤长度L0为修正到20o时OTDR的测量值T为实测温度。d）关于测量不确定度的说明标准OTDR的测量不确定度由三部分组成：光纤传递标准的检定不确定度；①被校准OTDR的分辨率引入的测量误差；②被校准OTDR的测量重复性 ③被校准OTDR的标尺系数误差；④测量环境和操作可能引入的误差。在上述第4节的数据处理程序给出的不确定度中，包括了①、②、③、④四种误差。测量总不确定度应是各类可能误差按误差理论合成。

光纤传感器 光波在通过光纤传输的过程中，表征光波传输特性的几种主要参数为光强、相位、偏振态、模式等，由于外界因素如被测量的变化，而发生变化，光纤传感器就是用这些参数的变化来探测对象的信息。其原理及应用见下表： 探测参数 原理 应用 相位变化 Sagnac效应 光纤陀螺仪 相位变化 热致伸缩 温度传感器 相位变化 力致伸缩 水听计 偏振方向 法拉第效应 电流计 模式变化 传导模与辐射模耦合 微弯位移传感器 频率变化 多普勒效应 速度计、加速度计 光强 光传输损耗 位移传感器 光纤传感器的主要特点是高灵敏度、耐高温、可以抗电磁干扰，无电火花、高绝缘性、耐腐蚀、能在有毒的气体和强辐射的现场工作，尺寸小并具有挠曲的随意性。因此广泛用于军事、电力工程、机械制造、石油化工、交通运输、核工程、计量以及医学、生物工程等方面。