TLP521光耦合详解
TLP521-4四路光耦合
一、简介
TLP521是可控制的光电藕合器件，光电耦合器广泛作用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，
如风扇，加热器等电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，
目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。
东芝TLP521－1，－2和－4组成的砷化镓红外发光二极管耦合
到光三极管。
二、引脚图
T LP521－2提供两个孤立的光耦8引脚塑料封装，而TLP521－4提供4个孤立的光耦中16引脚
三、原理分析
1脚：正极 2脚：负极 3脚：发射极 4脚：集电极
一般系统中如上图图进行光耦设计（只标明一组，其余组均按此
设计）。
光耦的输入端是一个发光二极管，加电阻是为了限制电流，不加电阻容易烧毁。加二极管（IN4148）主要为了保护光耦。
四、输入输出介绍
左图为上拉电阻，此时光敏三极管构成反相放大器，即当无输入信号时，发光二极管截止，其因无电流流过不发光，故使光敏三极管因无无光照而截止，即其集电极电流Ic=0，集电极输出TD5=VCC - Ic*R2=VCC- 0*R5=VCC，此时输出TD5为高电平（VCC）。当有输入信号时，发光二极管因流有足够电流而发光，此时光敏三极管因有光照照而饱和导通，其R2的电压降VR5=VCC，故使其集电极对地电压=0V，此时输出TD5为低电平（≈0V）。
右图为下拉电阻，即：光敏三极管的集电极接VCC，而发射极接电阻R2，R2下端接地，即构成射极跟随器形式，由发射机输出。此时输出相位与上1、2相反，即：当无输入信号时，发光二极管截止，其因无电流流过不发光，故使光敏三极管因无无光照而截止，即其发射极电流Ie=0，故发射极对地输出电压=0V。当有输入信号时，发光
二极管因流有足够电流而发光，此时光敏三极管因有光照照而饱和导通，其R2电压=VCC，即发射极对地电压=VCC。
光耦合器的作用及其电路
光耦合器的作用及其电路 摘要线性光耦合器是目前国际上正推广应用的一种新型光电隔离器件。文中介绍其性能特点、产品分类，以及它在单片开关电源中的应用。 关键词光耦合器线性电流传输比通信单片开关电源 光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电—光—电”转换。普通光耦合器只能传输数字（开关）信号，不适合传输模拟信号。近年来问世的线性光耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号，使其应用领域大为拓宽。 1 光耦合器的类型及性能特点 1.1 光耦合器的类型 光耦合器有双列直插式、管式、光导纤维式等多种封装形式，其种类达数十种。光耦合器的分类及内部电路如图1所示。图中是8种典型产品的型号：(a)通用型(无基极引线)； (b)通用型(有基极引线)；(c)达林顿型；(d)高速型；(e)光集成电路；(f)光纤型；(g)光敏 晶闸管型；(h)光敏场效应管型。 1.2 光耦合器的性能特点 光耦合器的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占 空比，达到精密稳压目的。 1.3 光耦合器的技术参数 主要有发光二极管正向压降VF、正向电流IF、电流传输比CTR、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极-发射极反向击穿电压V(BR)CEO、集电极-发射极饱和压降VCE(s at)。此外，在传输数字信号时还需考虑上升时间、下降时间、延迟时间和存储时间等参数。 常用参数： 正向压降VF：二极管通过的正向电流为规定值时，正负极之间所产生的电压降。 正向电流IF：在被测管两端加一定的正向电压时二极管中流过的电流。 反向电流IR：在被测管两端加规定反向工作电压VR时，二极管中流过的电流。 反向击穿电压VBR：：被测管通过的反向电流IR为规定值时，在两极间所产生的电压降。 结电容CJ：在规定偏压下，被测管两端的电容值。 反向击穿电压V(BR)CEO：发光二极管开路，集电极电流IC为规定值，集电极与发射集间 的电压降。 输出饱和压降VCE(sat)：发光二极管工作电流IF和集电极电流IC为规定值时，并保持I C/IF≤CTRmin时（CTRmin在被测管技术条件中规定）集电极与发射极之间的电压降。
实验1 激光-光纤偶合效率测试数据处理与分析
激光-光纤耦合效率测量数据处理与分析1、数据处理与分析 分析：由表1 激光-光纤耦合效率测量数据表可知，实验所测得的单模光纤耦合效率约为22.27%；而多模光纤耦合效率约为 70.68%；很明显，多模光纤耦合效率远远高于单模光纤的耦合 效率。 2、误差分析 本实验误差较大，主要来自于以下几方面： （1）激光器、显微镜以及光纤不可能百分百的准直，一定会存在微小的偏差，这会对实验结果产生一定的误差。 （2）光源并没有接触光纤，也就是说光需要在空气中传输一小段距离才能进入光纤，这会有一定的衰减，这也会造成一定的误差。 （3）由于光纤具有衰减因素，所以光在光纤中传输也会有一定的衰减，导致所测得的进入光纤的光功率偏小，从而导致耦合效率偏
低。 （4）另外，光纤接口，以及弯曲都会影响光纤的耦合效率，从而导致实验误差。实验中注意到用手稍微抬着光纤接口附近一点，以及尽量使光纤直，会使光功率变大，这说明光纤弯曲也会导致实验误差，使实验所测得的耦合效率偏小。 3、实验总结 通过此次实验，我明白了光纤与光源耦合方法的原理及提高耦合效率的措施；对激光器输出光强度的分布有了深入地学习和了解；对光纤的模式及基模光强度的分布有了新的认识。同时也学会了如何测量光纤与光源的耦合效率，知道了影响光纤与光源耦合效率的因素以及如何提高光纤耦合效率。 4、思考题 （1）分析提高耦合效率的关键途径。 答：①使用多模光纤进行传输；②使用透镜对光源进行聚焦后再送入光纤；③增大光纤数值孔径；④使用发射面极小的激光光源； ⑤在耦合处尽量使光纤准直。 （2）实验中是否可以更换其它的聚焦透镜，有何依据? 答：实验中不可以更换其它聚焦透镜。原因有二，其一，为了最有效地把光入射到光纤中去，通常应采用其数值孔径与光纤数值孔径相同的透镜进行聚光，如果更换就会影响激光与光纤的耦合效率，从
光通信中关键器件_耦合器
中国科技信息２００５年第１０期 ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｍａｙ．２００５ 光通信中关键器件－耦合器 冯霞 李平 葛祥友 山东大学信息科学与工程学院 ２５０１００ 摘 要：随着光纤通信的迅速发展和日益普及，对耦合器的需求量与日俱增。本文从线性和非线性两个方面对耦合器的类型和特点进行了介绍。在线性部分对宽带耦合器作了较详细的分析。关键词：耦合器；光通信 １．引言 随着近几年光纤通信的迅速发展，光纤到家，光纤到路边的日益临近，对耦合器的需求量与日俱增。耦合器是将光信号从一条光纤中分至多条光纤中的器件，属于光无源器件，广泛应用在光传输系统、有线电视、局域网中。以光孤子脉冲作为信息载体的全光通信系统已成为近年来的研究热点，非线性光纤耦合器作为此类系统的关键器件也引起高度重视。 ２．耦合器技术性能指标 光耦合器的性能指标有插入损耗、分光比与隔离度等。现在以 定向耦合器为例对上面的各个性能指标进行描述。 图１ 定向耦合器 插入损耗：表示输入耦合器一个端口的功率与输出端口输出功率总和之差，即 （１） 其中， 为从输入端１或２输入的光功率， 为输出端３、４的输出功率。 分光比：表示耦合器输出端的功率分配 比，即 （２） 隔离度：反映定向耦合器反向散射信号的大小。当从１端注入光功率，３、４端输出功率时，２端对１端的隔离度定义为， （３） 光纤定向耦合器的插入损耗为０．２￣１ｄＢ，分光比１％￣９９％（根据需要），隔离度可大于６５ｄＢ。 ３． 线性耦合器 下面分别介绍一下常见的几种线性耦合器。 ３．１ 定向耦合器 定向耦合器是指在光纤之间传输光信号来完成传统的光束分离功能的器件。双通道定向耦合器是优良平行的，传输常数相同的，相互之间距离很近的条波导构成。在两波导之间 ３．２ 保偏光纤耦合器 目前保偏光纤耦合器有熔融拉锥型和研磨抛光型两种。保偏光纤耦合器的最大特点是能稳定的传输两个正交的线偏振光，并能长距离的保持各自的偏振态不变。耦合器的参数如耦合比，附加损耗等，主要由双锥体形状决定，而双锥体的形状主要由火焰形状、温度分布、拉伸速度等来控制。制造保偏光纤耦合器必须使两根保偏光纤偏振轴平行，这是制造保偏耦合器成败的关键。实验证明，折射率匹配型保偏光纤便于制造低损耗、小尺寸的保偏耦合器，同时要较好的控制腰部直径和锥体形状。耦合比可由拉伸长度来控制。消光比是评价保偏耦合器保偏性能的主要参数。保偏光纤耦合器的结构如图２所示。 ３．３ 星型耦合器 星形耦合器是光纤通信网的关键部件，通常可采用 熔融拉锥光纤耦合器组成 星形耦合器，但其结构较为复杂。平板介质光波导多端口耦合器结构简单、耦合效率高，适于成批生产。星型平板介质耦合器［１］的结构模型如图３所示。发射端口阵列位于以ｏ’为圆心的圆弧ｏ’ｐ’处， 图４ 星型平板介质耦合器结构模型３．４ 波导干涉耦合器［２］ 多模干涉耦合器制作工艺简单、结构紧凑及容差性好，可以制成１ＸＮ和ＮＸＮ光开关、环形半导体激光器，还可以考虑制成用于无源光网络的光分路器。多模干涉耦合器的关键结构是能传输多个模式（一般大于３个）的多模波导。为了使光输入和输出多模波导，还必须由一些波导（一般为单模波导）放置在多模波导的起始端和终止端。分析多模波导场分布的方法很多，有全模式分析法、ＷＫＢ法、混合法、光束传输法和导模传输法等。输入（出）波导宽度及位置、干涉区长度等结构参量对多模波导耦合器性能参量存在一定的影响。 ３．５ 含布拉格光栅的光纤耦合器［３］ 含光栅的光纤耦合器是一种可用于密集波分复用的、很有前途的波分复用器，它能使光纤布拉格光栅和光纤耦合器的优点得到很好的结合，容易做到低成本、高性能。目前对于布拉格光栅在对称光纤耦合器中作用的理论分析主要有两种，一种是普通耦合模理论，另一种是耦合超模理论。最近有人提出用统一耦合理论分析含布拉格光栅的对称光纤耦合器。由布拉格光栅和对称光纤耦合器组成的波分复用器如图４所示。在耦合区域内两完全相同的合纤芯（ａ和ｂ）共享同一包层，组成光纤耦合器的两根光纤为 单模光纤，它们的传播常数分别为．区域Ｌ１和Ｌ３代表普通方向耦合器部分，区域Ｌ１ 代表含布拉格光栅的光纤耦合器部分。 的区域内，由于消逝场的重叠而发生相干耦合，光波可以从一个波导耦合到另一个波导中去。常用的制作方法是熔融拉锥法，就是将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥形式的特殊波导结构，实现传输功率耦合的一种方法。定向耦合器可用耦合波方程分析。图１可用来表示熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理：入射光在双锥体结构的耦合区发生功率再分配，一部分光功率从“直通臂”继续传输，另一部分则由“耦合臂”传到另一光路。在Ｙ型耦合器中，若直通臂与耦合臂的功率分别表示为Ｐ１（Ｌ）和Ｐ２（Ｌ），则标准熔融拉锥型单模光纤耦合器的耦合比为 ：（４） 式中Ｃ为耦合系数。 ｏｏ’＝Ｒ。带状波导宽度分别为ａ（发射端口）和ａ’（接受端口）。当能量从Ｎ个带状波导端口中任一段口ｐ中以主模ψ激励空间区域，接着以辐射模的形式向前传播照射接受阵列。由于传输过程中产生衍射，最后只有一部分被接受阵列所截获，而辐射到接收阵列中每个端口ｏｐ’的能量只有一部分能够激励起这个端口的主模。 由于 ，因而可用菲涅耳近轴衍射理论来处理耦合器中光传输 问题。
共射基本放大器的功率和效率
共射基本放大器的功率和效率 刁修睦 （潍坊学院 信息与控制工程学院，山东 潍坊 261061） E-mail:ddxxmm_001@https://www.360docs.net/doc/1015096810.html, 摘 要：本文以共发射极基本放大器为例，对低频小信号电压放大器的输出功率和转化效率作了定量讨论，给出了在理想状态下的该电路输出功率和转化效率的定量计算公式，说明了该电路效率太低的原因及提高效率的方法。 关键词： 不失真输出功率；效率；尽限运用；阻抗匹配 模拟电子技术以放大器为主要研究对象，基本放大器是一切放大电路的基础，明确基本放大器优缺点，并找出提高其性能的措施，对增强整个教学过程的系统性至关重要。一般教材均侧重于对基本放大器的放大能力及输入、输出电阻的讨论，而对其功率及转化效率不予讲述。本文以共发射极基本放大器为例，对低频小信号电压放大器的输出功率和转化效率作了定量讨论，给出了在理想状态下该电路的输出功率和转化效率的定量计算公式，说明了该电路效率太低的原因及提高其效率的主要方法。通过讨论，进一步明确了放大器放大的实质，并可自然引出有关功率放大器的相关内容，使教材的系统性进一步加强，收到较好的教学效果。 一、电路及特性方程 共发射极基本放大器是最常用的小信号电压放大器之一。图一（a ）是阻容耦合共射基本放大器的原理图；图一（b ）是其交流通路；图二是由图解法得出的与该电路对应的直流负载线、最佳交流负载线及最大不失真输出信号的波形。假设所有元件均为理想元件。本文依据该电路及相应波形推导出放大器的输出功率和转化效率的数学表达式。为此，首先明确各相关量之间的关系。 (a) (b) R L 图一 共射基本放大电路
由图一(a)得该电路的直流负载方程为： V CE =E C -I C ?R C ----------------------------------------------------------------------- (1) 对应于不失真的放大的最佳工作点Q ，有： V CEQ =E C -I CQ ------------------------------------------------------------------------ (2) 由图二可得其相应的交流负载方程为： V CE = E C ′- i C ?R L ′-----------------------------------------------------------------------(3) 以上各式中，V CE 为C 、E 极间的静态电压，V CEQ 为其最佳静态工作电压，V CE 为其动态瞬时电压；E C 为直流电源电压，E C ′为动态等效电源电压；I C 为静态集电极电流，I CQ 为最佳静态集电极电流，i C 为动态瞬时集电极电流；R L 为集电极负载电阻，R L ′为放大器交流通路的等效负载电阻（R L ′=R L // R C ）。 当静态工作点Q 选在最佳点时，且在忽略晶体管的饱和压降和截止区的一段压降的条件下，将Q 点选在教流负载线的中点。由图二可知： E C ′= 2V CEQ ---------------------------------------------------------------------------------- (4) 且 V CEQ = I CQ ? R L ′------------------------------------------------------------------------------- (5) 将(4)代入(3)得： V CE =2 V CEQ - i C ?R L ′ ------------------------------------------------------- (6) 将(5)代入(2)并整理得： CE (V) I CQ 图二 共射放大电路输出波形
光电耦合器原理及使用
光电耦合器，又称光耦，万联芯城销售原装现货光耦元件，品牌囊括TOSHIBA,LITEON,EVERLIGHT,VISHAY等。型号种类繁多，万联芯城为终端生产企业提供电子元器件一站式配套服务，节省了客户的采购成本。点击进入万联芯城 点击进入万联芯城
光耦使用技巧 光电耦合器(简称光耦)，是一种把发光元件和光敏元件封装在同一壳体内，中间通过电→光→电的转换来传输电信号的半导体光电子器件。光电耦合器可根据不同要求，由不同种类的发光元件和光敏元件组合成许多系列的光电耦合器。目前应用最广的是发光二极管和光敏三极管组合成的光电耦合器，其内部结构如图1a所示。 光耦以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递，输入与输出在 电气上完全隔离，具有抗干扰性能强的特点。对于既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分的工业应用测控系统，采用光耦隔离可以很好地实现弱电和强电的隔离，达到抗干扰目的。但是，使用光耦隔离需要考虑以下几个问题： ①光耦直接用于隔离传输模拟量时，要考虑光耦的非线性问题； ②光耦隔离传输数字量时，要考虑光耦的响应速度问题； ③如果输出有功率要求的话，还得考虑光耦的功率接口设计问题。 1 光电耦合器非线性的克服 光电耦合器的输入端是发光二极管，因此，它的输入特性可用发 光二极管的伏安特性来表示，如图1b所示；输出端是光敏三极管， 因此光敏三极管的伏安特性就是它的输出特性，如图1c所示。由图 可见，光电耦合器存在着非线性工作区域，直接用来传输模拟量时精
度较差。 图1 光电耦合器结构及输入、输出特性 解决方法之一，利用2个具有相同非线性传输特性的光电耦合器，T1和T2，以及2个射极跟随器A1和A2组成，如图2所示。如果T 1和T2是同型号同批次的光电耦合器，可以认为他们的非线性传输 特性是完全一致的，即K1(I1)=K2(I1)，则放大器的电压增益G=Uo/ U1=I3R3/I2R2=(R3/R2)[K1(I1)/K2(I1)]=R3/R2。由此可见，利用T1 和T2电流传输特性的对称性，利用反馈原理，可以很好的补偿他们原来的非线性。 图2 光电耦合线性电路 另一种模拟量传输的解决方法，就是采用VFC(电压频率转换)方式，如图3所示。现场变送器输出模拟量信号(假设电压信号)，电压频率转换器将变送器送来的电压信号转换成脉冲序列，通过光耦隔离后送
光纤耦合器和光分路器教程
光纤耦合器和光分路器教程 作者：飞速(FS)内容来源：飞速(FS)日期： ? ? ? ? 光纤耦合器简介 光纤耦合器的原理是，将两根以上的光纤彼此靠拢进行熔化拉伸，从而产生一个耦合区。对加热区域进行拉伸，直到出现所需要的耦合特性。这一装置又被称为熔融拉锥(FBT)耦合器。 随着输入光纤模场直径在下锥区内变得越来越大，耦合过程不断发生。在耦合区域内，由于两个纤芯彼此非常靠近，因此一个纤芯与另一个纤芯发生耦合现象。 在纤芯直径不断增加的上锥区，模在芯内变得越来越小，最终两个独立的模离开了两根独立光纤的输出端。有时候，两根光纤会在加热拉伸前被绞合起来。另一个方法就是研磨光纤端面，使得设计者可以非常精确地控制耦合的效果。 输入光的哪一部分将被耦合进第二根光纤，取决于工作波长、两条纤芯之间的距离以及耦合区域内的纤芯直径。因此，通过确定耦合区域的大小，我们将能够控
制输出功率比，即耦合比。50:50的耦合比十分流行，而1:99则用于监控EDFA 内部的输入和输出信号。 如何实现50:50均分？在这一排列中，光模将通过两根光纤的合并包层，并且在上锥区被分离开来。 FBT耦合器的优势 FBT耦合器具有如下三个关键优势： 低损耗过程：光纤耦合是一个低损耗的过程，实际上，在芯模到耦合模再到芯模的转换过程中是没有损耗的。因此，我们不得不说损耗是光通过一个短包层长度所造成的。不过，耦合器的插入损耗相当高，并且取决于耦合比。无逆反射：光纤决不会再耦合过程中离开光纤结构，所以它决不会经过任何的接口。因此，此类型耦合器本身不会造成逆反射。实际上，此类型耦合器的技术资料中并没有包含这一规范。便于连接：由于耦合器是由普通光纤制成，因此FBI能够与传输光纤非常方便地进行连接，并且损耗低。 光纤耦合器的端口结构 我们可以想象有许多种经过装置耦合的光纤组束，如下显示了其中的一部分类型。
【ANSYS分析】耦合场分析
第四章耦合场分析 耦合场分析的定义 耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑了两种或者多种工程（物理场）的交叉作用和相互影响（耦合）。例如压电分析考虑了结构和电场的相互作用：它主要解决由于所施加的位移载荷引起的电压分布问题，反之亦然。其他的耦合场分析还有热-应力耦合分析，热-电耦合分析，流体-结构耦合分析，磁-热耦合分析和磁-结构耦合分析等等。 耦合场分析的类型 耦合场分析的过程取决于所需解决的问题是由哪些场的耦合作用，但是，耦合场的分析最终可归结为两种不同的方法：序贯耦合方法和直接耦合方法。 序贯耦合解法 序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分析。它是通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场的耦合的。例如序贯热-应力耦合分析是将热分析得到的节点温度作为“体力”载荷施加在后序的应力分析中来实现耦合的。 直接耦合解法 1
直接耦合解法利用包含所有必须自由度的耦合单元类型，仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果。在这种情形下，耦合是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的。例如利用单元SOLID5，PLANE13，或SOLID98可直接进行压电分析。 何时运用直接耦合解法或序贯耦合解法 对于不存在高度非线性相互作用的情形，序贯耦合解法更为有效和方便，因为我们可以独立的进行两种场的分析。例如，对于序贯热-应力耦合分析，可以先进行非线性瞬态热分析，再进行线性静态应力分析。而后我们可以用热分析中任意载荷步或时间点的节点温度作为载荷进行应力分析。这里耦合是一个循环过程，其中迭代在两个物理场之间进行直到结果收敛到所需要的精度。 直接耦合解法在解决耦合场相互作用具有高度非线性时更具优势，并且可利用耦合公式一次性得到最好的计算结果。直接耦合解法的例子包括压电分析，伴随流体流动的热传导问题，以及电路-电磁场耦合分析。求解这类耦合场相互作用问题都有专门的单元供直接选用。 1
ANSYS 高级技术分析：耦合场分析定义
ANSYS非线形分析指南基本过程 第四章耦合场分析 耦合场分析的定义 耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑了两种或者多种工程学科物理场的交叉作用和相互影响耦合例如压电分析考 虑了结构和电场的相互作用它主要解决由于所施加的位移载荷引起的电压分布问题反之亦然其他的耦合场分析还有热-应力耦合分 析热-电耦合分析流体-结构耦合分析磁-热耦合分析和磁-结构 耦合分析等等 耦合场分析的类型 耦合场分析的过程取决于所需解决的问题是由哪些场的耦合作用但是耦合场的分析最终可归结为两种不同的方法序贯耦合方法和直接耦合方法 序贯耦合解法 序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分析它是通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场的耦合的例如序贯热-应力耦合分析是将热分析得到的节点温度作 为体力载荷施加在后序的应力分析中来实现耦合的 直接耦合解法 直接耦合解法利用包含所有必须自由度的耦合单元类型仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果在这种情形下耦合是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的例如利用单元SOLID5PLANE13或SOLID98可直接进行压电分析 何时运用直接耦合解法或序贯耦合解法 对于不存在高度非线性相互作用的情形序贯耦合解法更为有效和方便因为我们可以独立的进行两种场的分析例如对于序贯热-应力耦合分析可以先进行非线性瞬态热分析再进行线性静态应 力分析而后我们可以用热分析中任意载荷步或时间点的节点温度作为载荷进行应力分析这里耦合是一个循环过程其中迭代在两个物理场之间进行直到结果收敛到所需要的精度 直接耦合解法在解决耦合场相互作用具有高度非线性时更具优势并且可利用耦合公式一次性得到最好的计算结果直接耦合解法的例子包括压电分析伴随流体流动的热传导问题以及电路-电磁 场耦合分析求解这类耦合场相互作用问题都有专门的单元供直接选用 第1页
ANSYS耦合场分析指南
ANSYS非线形分析指南基本过程 耦合场分析 耦合场分析的定义 耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑了两种或者多种工程学科（物理场）的交叉作用和相互影响（耦合）。例如压电分析考虑了结构和电场的相互作用：它主要解决由于所施加的位移载荷引起的电压分布问题，反之亦然。其他的耦合场分析还有热-应力耦合分析，热-电耦合分析，流体-结构耦合分析，磁-热耦合分析和磁-结构耦合分析等等。 耦合场分析的类型 耦合场分析的过程取决于所需解决的问题是由哪些场的耦合作用，但是，耦合场的分析最终可归结为两种不同的方法：序贯耦合方法和直接耦合方法。 序贯耦合解法 序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分析。它是通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场的耦合的。例如序贯热-应力耦合分析是将热分析得到的节点温度作为“体力”载荷施加在后序的应力分析中来实现耦合的。 直接耦合解法 直接耦合解法利用包含所有必须自由度的耦合单元类型，仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果。在这种情形下，耦合是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的。例如利用单元SOLID5，PLANE13，或SOLID98可直接进行压电分析。 何时运用直接耦合解法或序贯耦合解法 对于不存在高度非线性相互作用的情形，序贯耦合解法更为有效和方便，因为我们可以独立的进行两种场的分析。例如，对于序贯热-应力耦合分析，可以先进行非线性瞬态热分析，再进行线性静态应力分析。而后我们可以用热分析中任意载荷步或时间点的节点温度作为载荷进行应力分析。这里耦合是一个循环过程，其中迭代在两个物理场之间进行直到结果收敛到所需要的精度。 直接耦合解法在解决耦合场相互作用具有高度非线性时更具优势，并且可利用耦合公式一次性得到最好的计算结果。直接耦合解法的例子包括压电分析，伴随流体流动的热传导问题，以及电路-电磁场耦合分析。求解这类耦合场相互作用问题都有专门的单元供直接选用。 第1页
ansys耦合场 压电梁的模态分析
压电梁的模态分析 几何尺寸：梁的长度L1=300mm 宽度W=30mm 厚度H1=2mm 压电片长度L=50mm 宽度W=30mm 厚度H=1mm 采用pzt-5H压电陶瓷片 模态分析结果 一阶振型（f=23.144Hz）
二阶振型(f=137.52Hz) /prep7 ! PZT-5H 材料特性参数 mp,DENS,1,7700 ! 密度, kg/m**3 mp,perx,1,1700 ! 介电常数 mp,pery,1,1700 mp,perz,1,1470 tb,ANEL,1 ! 弹性劲度系数, N/m^2 tbdata,1,12.6E10,7.95E10,8.41E10 ! c11,c12,c13 tbdata,7,12.6E10,8.41E10 ! c11,c33 tbdata,12,11.7E10 ! c33 tbdata,16,2.30E10 ! c44 tbdata,19,2.30E10 ! c44 tbdata,21,2.35E10 ! c66 tb,PIEZ,1 ! 压电（应力）常数, C/m^2 tbdata,3,-6.5 ! e31 tbdata,6,-6.5 ! e31 tbdata,9,23.3 ! e33 tbdata,11,17.0 ! e15 tbdata,13,17.0 ! e15 !定义主结构的材料参数 mp,dens,2,7800 EX,2,209e9 nuxy,2,0.3 ! 定义压电复合梁几何模型 (L=50mm W=30mm H = 1 mm) L=50e-3 W=30e-3 H =1e-3 !压电片几何尺寸 L1=300e-3
光耦合器实验
全光纤耦合器件 摘要：简述熔融拉锥法制作全光纤耦合器件的原理，进而讨论全光纤耦合器的工作原理，并对未知耦合器件进行测试，具体分析其参数。 一、实验原理 1.熔融拉锥法 熔融拉锥法是将2根出去涂覆层的光纤以一定方式靠拢，然后置于高温下加热熔融，同时向光纤两端拉伸，最终在加入形成双锥形式的特殊波导耦合结构，从而实现光纤耦合的一种方法。熔融拉锥法示意图如图1： 图 1熔融拉锥法示意图 2.光纤耦合器工作原理 图2所示为熔融拉锥型光 纤耦合器的结构模型。 其中：W2和W3分别为耦合 结构熔锥区II和III在光纤熔 烧时的拉伸长度；W1为耦合区I 的火焰宽度。耦合区的两光纤熔 图 2 光纤耦合器结构模型 烧时逐渐变细，两纤芯可以忽略 不计，两包层合并在一起形成以包层为纤芯、芯外介质（空气）为新包层的复合波导结构，实现两光纤的完全耦合。 当入射光从输入端1进入熔锥区II后，由于淡漠光纤的传导膜为2个正交的基膜信号，因此，光纤参量V随着纤芯的变细而逐渐变小，导致越来越多的光渗入包层；进入耦合区I 后，由于两光纤合并在一起，光在以新的包层为纤芯的复合波导中传输，并使光功率发生再分配；当光进入熔锥区III后，光纤参量V随着纤芯的变粗而逐渐增大，并使光以特定比例从输出端输出，即一部分光从直通臂直接输出，另一部分光从耦合臂输出。 在耦合区I，由于两光纤包层合并在一起，纤芯足够逼近，因此，耦合器为两波导构成的弱耦合结构。根据若耦合模理论：相耦合的两波导中的场，各保持该波导独立存在是的场分布和传输系数，耦合的影响仅表现在场的复振幅的变化。假设光纤是无吸收的，则随拉伸 长度Z不断变化，其变化规律可用一阶微分方程组表示如下：
ANSYS耦合场分析指南第三章
ANSYS耦合场分析指南第三章 发表时间：2007-11-20 作者: 安世亚太来源: e-works 关键字: ANSYS 耦合场分析 CAE教程 第三章直接耦合场分析 3.1进行直接耦合场分析 在直接耦合场分析中，只需用耦合场单元进行一次分析。表3-1中列出了具有耦合场分析能力的单元。 1. 有限元模型可以混合一些带有VOLT自由度的耦合场单元，要保证相容性，单元必须有相同的支反力（参见《ANSYS Electromagnetic Field Analysis Guide》中的第§13.3节）。 耦合场单元包含所有必要的自由度，通过计算适当的单元矩阵（矩阵耦合）或是单元载荷矢量（载荷矢量耦合）来实现场的耦合。在用矩阵耦合方法计算的线性问题中，通过一次迭代即可完成耦合场相互作用的计算，而载荷矢量耦合方法在完成一次耦合响应中至少需要二次迭代。对于非线性问题，矩阵方法和载荷矢量耦合方法均需迭代。表3-2给出了ANSYS/Multiphysics产品用于直接方法时所支持的不同类型的
耦合场分析，以及每种类型所需要的耦合类型。想进一步了解有关矩阵和载荷矢量耦合请参阅《ANSYS Theory Reference》。 ANSYS/Professional软件包只支持热－电直接耦合，ANSYS/Emag软件包只支持电磁场和电磁－电路直接耦合。 注意－在子结构分析中使用载荷矢量耦合方法的耦合场单元无效。在生成子结构的过程中，迭代解无效，所以，ANSYS程序忽略所有的载荷矢量和反馈耦合效应。 因为有时载荷矢量耦合场单元的非线性行为可能很严重，故需要用到预测器和线性搜索选项以加强收敛。《ANSYS Structural Analysis Guide》中的§8介绍了这些选项。 对于上述的分析类型，本章将重点介绍如何进行热－电分析、压电分析、磁－结构分析和电磁－结构分析。 3.1.1热－电分析 在ANSYS/Multiphysics和ANSYS/Professional软件包中提供热－电分析功能，即计算导体中由于直流电(DC)带来的焦耳热所造成的温度分布。典型应用为加热线圈、保险丝和电子部件。 进行热电分析需要用到下列单元类型： LINK68耦合热－电线单元 PLANE67耦合热－电四边形单元 SOLID69耦合热－电六面体单元 SOLID5耦合场六面体单元 SOLID98耦合场四面体单元 SHELL157耦合热－电壳单元
ANSYS耦合场分析指南
ANSYS耦合场分析指南 第一章耦合场分析 1.1耦合场分析的定义 耦合场分析是指考虑了两个或多个工程物理场之间相互作用的分析。例如压电分析，考虑结构和电场间的相互作用：求解由施加位移造成的电压分布或相反过程。其它耦合场分析的例子有热－应力分析，热－电分析，流体－结构分析。 需要进行耦合场分析的工程应用有压力容器（热－应力分析），流体流动的压缩（流体结构分析），感应加热（磁－热分析），超声波换能器（压电分析）以及磁体成形（磁－结构分析），以及微电机械系统（MEMS）等。 1.2耦合场分析的类型 耦合场分析的过程依赖于所耦合的物理场，但明显可以可分为两类：顺序耦合和直接耦合。 1.2.1 顺序耦合方法 顺序耦合方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析，每一种属于不同物理场的分析。通过将前一个分析的结果作为载荷施加到第二个分析中的方式进行耦合。典型的例子是热－应力顺序耦合分析，热分析中得到节点温度作为“体载荷”施加到随后的应力分析中去。 1.2.2 直接耦合方法 直接耦合方法一般只涉及到一次分析，利用包括所有必要自由度的耦合场类型单元。通过计算包含所需物理量的单元矩阵或载荷向量的方式进行耦合。例如使用了SOLID5、PLANE13或SOLID98单元的压电分析。另外的例子如利用TRANS126单元的MEMS分析。 1.2.3 直接法与顺序法的应用场合 对于耦合情况的相互作用非线性程度不是很高的情况，顺序耦合法更有效，也更灵活。因为两个分析之间是相对独立的。例如在热应力顺序耦合分析中，可以先进行非线性瞬态热分析，然后再进行线性静力分析。可以将瞬态热分析中任一载荷步或时间点的节点温度作为载荷施加到应力分析中。顺序耦合可以是不同物理场之间交替进行执行，直到收敛到一定精度为止。 当耦合场之间的相互作用是高度非线性的，直接耦合具有优势。它使用耦合变量一次求解得到结果。直接耦合的例子有压电分析，流体流动的共轭传热分析，电路－电磁分析。这些分析中使用了特殊的耦合单元直接求解耦合场间的相互作用。 参见本手册中第五章关于声学的更多信息。 参见《ANSYS Basic Analysis Guide》中关于加载的更多信息。 1.3单位制 在ANSYS中应确保你所输入所有数据单位制的统一。可以使用任何单位制。对电磁场分析，参见《ANSYS Commands Reference》中EMUNIT命令对于自由空间中磁导率和介电常数设定的更多信息。 对微电机械系统（MEMS），用更合适的单位制建立模型会更加方便，因为MEMS部件通常大小为几微米。为方便，表1-1到1-8列出从标准的MKS转换到μMKSV 及μMSVfA及的转换系数。