第一章 第一节 概论 (第一周)

第一章 概论
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（二）传感器的分类
按照用途来分： 压力敏和力敏传感器 位置传感器 液面传感器 能耗传感器 速度传感器 加速度传感器 射线辐射传感器 热敏传感器 。。。 按照原理来分 振动传感器 湿敏传感器 磁敏传感器 气敏传感器 真空度传感器 生物传感器 。。。
第一章 概论 30
三、什么是光纤传感器

以光纤作为功能材料的传感器。
以光学技术为基础，将被敏感的状态以光信号 的形式取出。

第一章 概论
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(一)光纤传感器的基本原理

将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测 参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的 光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、 偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光， 在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被 测参数。
第一章 概论 20


（六）传感器的分辨力

分辨力：传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。 也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化，当输入 变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化， 即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的，只有当输入 量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。 通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此 常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大 变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百 分比表示，则称为分辨率。
（二）光纤传感器与电类传感器对比
电量
电缆
电类传感器
电量检测
电 类 传 感 器
被 测 参 量
光源
光纤传感器
光量检测
光纤
光 纤 传 感 器
被 测 参 量
第一章 概论
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（二）光纤传感器与电类传感器对比
分类 内容 调制参量 敏感材料 传输信号 传输介质
光纤传感器
振幅：吸收、反射等 相位：偏振…
电类传感器


第一章 概论
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(七)传感器的设计目标


优良的变换功能
动态范围广 线性度好 信噪比高 重复性好 漂移小 灵敏度高 迟滞小 分辨率高


探测信号质量好
信号源稳定 便于传输 便于信号处理


与待测状态的匹配好
不干扰目标状态 能承受目标环境 抗干扰能力强


第一章 概论
第一章 概论
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（三）传感器技术



利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技 术。 传感器技术是检测原理、材料科学和工艺加工 三个要素的最佳结合，在发达国家被列为核心 技术之一。 传感技术的提高，在很大程度上有赖于揭示物 理现象的研究和材料技术的发展。
第一章 概论
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（四）传感器的静态特性

静态特性：对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量 之间所具有相互关系。 （1）线性度：是指传感器输出量与输入量之间的实际关 系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际 特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之 比。 关于拟合直线：通常情况下，传感器的实际静态特性输出 是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻 度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线， 线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。
光纤传感技术与应用
董小伟 xwdong@ Tel: 51684016 北京交通大学光波技术研究所 光波楼306室
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课程任务和教学目的




本课程是选修课，是在光纤传感领域从事研究 开发和应用工作所需的专业教育课程。 本课程的授课对象是大学本科生 教学目的：使学生通过学习该课程，掌握光纤 传感技术的基本原理和工作特性，以及光纤传 感在各种不同学科中的应用，并具有灵活应用 所学知识分析问题和解决问题的能力，从而为 将来把光纤传感的有关理论和研究成果应用到 各自领域，以及从事光纤传感等方面的工程应 用或研究开发工作打下扎实的基础。 先修课程：《大学物理》
y
y2 y1
o
x1 x
第一章 概论
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（四）传感器的静态特性

重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向 作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致 的程度。
y 2 1
3 o x
第一章 概论 18
（四）传感器的静态特性

漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下， 传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。 产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结 构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。
第一章 概论 2
本课程主要内容(32学时，16周)



第一章 概论 第二章 光纤与光电子器件技术的发展 第三章 光纤传感技术的基本原理 第四章 常见光纤传感器的应用 第五章 光纤光栅传感器 第六章 分布式光纤传感器 第七章 信号的检测与处理
第一章 概论
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考核方式


考试采取开卷考试或提交论文或者调研报告的 方式。光纤传感是一门跨学科的技术，需要与 各种不同专业相结合才有实际意义，因此，本 课程主要希望能把光纤传感技术与学生各自专 业知识相结合。 总评成绩：平时成绩占30-40%，期末考核成 绩占60-70%。
光纤具有良好束缚光 的能力，光射线沿着 弯曲的光纤传播
第一章 概论 29
光纤的特点

损耗低，0.2dB/km (4.5%/km) 良好的传光性能 频带宽，传输容量大，400nm，50THz 本身就可以作为敏感元件 重量轻，体积小，27g/km fiber 价格低廉 抗电磁干扰，不易串音，抗雷击，通信质量高 防爆性能好 …...
传感器 眼睛 耳朵 舌头 鼻子 手…
第一章 概论
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(一)传感器的作用

是人们感知自然界物理现象的器官，是现代科 学技术开拓的先锋。
在信息时代，人类的认识和活动范围在空间和时 间上将向无限、极端和崭新领域拓展。各种关键 工程的开发，首先就要有能传感各种强、高、弱、 微和边缘效应的传感器，这些特殊领域的突破将 给人类科学技术带来不可估量的进展，产生巨大 的经济效益。
第一章 概论
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二、光纤简介

光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑 料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。 光导纤维由前香港中文大学校长高锟发明。 光纤有纤芯、包层和涂覆层构成。纤芯和包层引导 光纤传播，涂覆层用于保护纤芯和包层，提高光纤 机械性能。


多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆,包覆后 的缆线即被称为光缆.光纤外层的保护结构可防止周 遭环境对光纤的伤害,如水,火,电击等.光缆由光纤,缓 冲层及披覆构成，一般单根光缆中有数根光纤。
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（七）传感器设计目标





工程应用要求 体积小 重量轻 故障率低 能够大批量生产，价格便宜 坚固耐用，机械性能好 耐化学腐蚀、耐热性能好 无危害性，无公害 。。。
第一章 概论
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（八）传统传感器的缺点
传统的传感器技术已达到其技术极限。 它的价格性能比
不可能再有大的下降。 它在以下几方面存在严重不足：


第一章 概论
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（四）传感器的静态特性

线性度 =
Y

y Y0
Y0 Δy

X0---满量程输入 Y0---满量程输出 Δy---与拟合直线的最大偏差
O X0
X
第一章 概论
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（四）传感器的静态特性

灵敏度：输出量的增量dy与引起该增量的相应输入 量增量dx之比。它是输出一输入特性曲线的斜率。 S=dy/dx
X=x0
y
t o
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（五）传感器的动态特性

动态特性：是指传感器在输入变化时，它的输出 的特性。
传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的 响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的 响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信 号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一 定的关系，往往知道了前者就能推定后者。 最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两 种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频 率响应来表示。
第一章 概论 26

光纤的纤芯是由折射率比周围薄层略高的光 学材料制作而成的，折射率的差异引起全内 反射，引导光纤在纤芯内传播。
n1 n2
光纤
包层 包层 纤芯
n1>n2 n1—纤芯折射率。 n2—包层折射率。
第一章 概论 27
光纤结构
1.25 10–4 m
core
8 10–6 m
纤芯
– a hair-thin glass fibre
第一章 概论
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（一）光纤传感器的基本原理
外界参量
光 源
光纤
信号 调制
光纤
ED,白炽灯，激光器等 信号调制：待测参量引起光信号强度、波长、频率、相 位或偏振态的变化。 光探测器：PIN,APD,CCD,光电池等 信号处理：电路、计算机、单片机，计算机系统等
第一章 概论 33
提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量 范围愈窄，稳定性也往往愈差。


第一章 概论
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（四）传感器的静态特性


迟滞：传感器在输入量由 小到大（正行程）及输入 量由大到小（反行程）变 化期间，其输入输出特性 曲线不重合的现象成为迟 滞。对于同一大小的输入 信号，传感器的正反行程 输出信号大小不相等，这 个差值称为迟滞差值。 y2-y1
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息； 传感器同时具有信号转换功能，能将检测到的信息，按一 定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出； 另外，集成的传感系统具有信息处理能力，能满足信息的 传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。