光纤传感器基本原理2.
光纤传感器
光纤传感器
光纤传感器技术在现代科技领域中扮演着重要的角色。本文将介
绍光纤传感器的原理、应用领域以及未来发展趋势。
光纤传感器是一种利用光纤输送光信号并将其转换为传感信号的
装置。其工作原理基于光纤的光学特性，利用光的传输和反射来检测
物理量的变化。光纤传感器可以实现高灵敏度、高分辨率、快速响应
和远程感知等特点，因此在许多领域得到广泛应用。
一种常见的光纤传感器类型是光纤光栅传感器。光纤光栅传感器
利用光栅的干涉效应来实现对物理量的测量。光栅是将光纤纤芯中周
期性的折射率变化引入的装置，在光的传播过程中形成干涉。当光栅
受到外界物理量的作用时，其折射率发生变化，从而引起干涉的变化，进而实现对物理量的检测。
光纤传感器的应用领域非常广泛，其中之一是环境监测领域。光
纤传感器可以用于测量温度、湿度、压力等环境参数，用于监测大气
污染、水质污染、土壤质量等环境指标。通过将光纤传感器网络部署
在不同地点，可以实现对环境状况的实时连续监测，为环境保护提供
重要数据支持。
另外，光纤传感器在基础设施安全领域也起着关键作用。例如，
光纤传感器可以应用于石油管道、天然气管道、电力输电线路等重要
设施的监测和安全保护。通过光纤传感器可以实现对温度、压力、振
动等参数的监测，及时发现异常情况并采取措施，避免事故的发生。
光纤传感器还在医疗领域发挥着重要作用。例如，在手术中，医
生可以使用光纤传感器来监测患者的生命体征，如心率、血压等，并
及时作出反应。此外，光纤传感器还可以用于光学成像，如光纤内窥
镜等，帮助医生进行精确的病灶检测和治疗。
未来，光纤传感器技术有望进一步发展。一方面，随着光纤技术
二.光纤传感器原理
光纤传感器的调制区可能是光纤本身 （内部调制），也可能是其他材料制成 的敏感元件（外部调制），单就调制原 理而言，仅研究外界因素引起光的性质 的变化，不论是内部调制还是外部调制 都是一样的。
一.强度调制----光纤传感器最早使 用的调制方法
概念 利用外界因素改变光纤中光的强度， 通过测量光强的变化来测量外界物理 量。
四．相位调制
概念 利用外界因素改变光纤中光波的
相位，通过测量光相位的变化来测量 外界物理量。
特点
–灵敏度高，几何形状灵活多样。 –工作对象广泛。 –需要特殊光纤。目前市场上各类光探测器均不能
够感知光波相位的变化，必须采用光的干涉技术 将光的相位变化改变为光的强度变化，才可以测 量外界物理量。
系为高斯型曲线，存在下列关系：
d2
T=e s02
T
最佳传
A
感区域
d
特点
光纤间距离很小，约2-3µm。 入射光纤保持不动（除去差动法）。 出射光纤进行位移或转动。
（二）光闸调制 原理图
特点
入射光纤与出射光纤均保持不动，依靠遮 光屏随外界因素影响而引起的运动来对出 射光纤的输出光强进行调制。
光纤强度调制传感器的原理图
特点
技术简单，可靠，成本低。 可以采用多模光纤。 光纤的连接与耦合容易，所使用的光纤连
接器与耦合器已经商品化。 光源可以采用非相干光源，如输出稳定的
光纤传感器的原理是
光纤传感器的原理是
光纤传感器是一种利用光学原理来进行物体检测和测量的设备。它
利用光纤中的光信号与外界物理量的相互作用，通过测量光的特性变
化来获取物理量的信息。光纤传感器具有高精度、快速响应、不受电
磁干扰等优点，广泛应用于工业、生活、医疗等领域。
一、基本原理
光纤传感器的基本原理是利用光的传输和载波调制技术。通常，光
纤传感器由光源、光纤、检测元件和信号处理模块组成。光源产生光
信号后，通过光纤传输至检测元件，光信号在物理量作用下发生变化，最后由信号处理模块将光信号转化为电信号输出。
二、工作原理
光纤传感器的工作原理可以分为干涉型、散射型和吸收型。
1. 干涉型
干涉型光纤传感器利用光的干涉现象来测量物理量。它通过将光信
号分为两个相干波束，一个作为参考光束，另一个经过检测元件后与
参考光束发生干涉。当外界物理量作用于光束时，光的相位和振幅会
发生变化，通过测量干涉光信号的强度或相位差，获得物理量的信息。
2. 散射型
散射型光纤传感器利用光在纤芯中的散射现象来测量物理量。它通
过纤芯中的光散射来判断外界物理量的变化。光纤中的散射分为弹性
散射和非弹性散射两种，其中弹性散射主要受到光纤材料的缺陷、晶格振动等因素影响，非弹性散射则由于外界物理量的作用引起光纤材料中电子的激发和产生。通过测量散射光信号的强度、频谱等特性，可以获取物理量的信息。
3. 吸收型
吸收型光纤传感器利用光在特定介质中的吸收现象来测量物理量。它通过在光纤中引入吸收介质，当外界物理量作用于吸收介质时，吸收介质中的光吸收发生变化。通过测量光的强度变化，可以获得物理量的信息。
光纤传感器调研报告
光纤传感器调研报告
光纤传感器是一种基于光纤技术原理，用于检测和测量环境参数的传感器。它利用光纤的特殊性质，如光折射、光电效应等，将环境参数转化为光信号，再通过光纤传输，并最终将光信号转化为电信号进行处理和分析。光纤传感器具有高精度、快速响应、抗干扰、长寿命等优点，在工业、军事、医疗、环境监测等领域得到广泛应用。本报告将对光纤传感器的原理、分类以及应用进行详细介绍。
光纤传感器的工作原理是利用光在光纤中的传播特性来实现对环境参数的检测和测量。光纤传感器通常由光源、光纤、光电探测器和信号处理系统组成。光源发出特定波长的光信号，经过光纤传输到待测区域，并在被测物质的作用下发生相应的光学变化。光纤上采集到的光信号通过光电探测器转化为电信号，再由信号处理系统进行处理和分析。
根据测量原理和应用领域的不同，光纤传感器可以分为多种类型。常见的光纤传感器包括光纤陀螺仪、光纤应变传感器、光纤温度传感器、光纤气体传感器等。光纤陀螺仪是利用光在光纤中传输过程中的旋转效应来检测和测量角速度或角位移的传感器。光纤应变传感器是通过测量光纤长度的微小变化来实现对应变的检测和测量。光纤温度传感器则是利用光纤中光的特性随温度变化而发生变化来测量温度。光纤气体传感器是通过被测气体的吸收、散射或折射等作用来检测和测量气体成分或浓度。
光纤传感器具有广泛的应用领域。在工业领域，光纤传感器常
用于工艺监测、机械振动检测、材料应变测量等方面。通过对工业过程中的关键参数进行实时监测，可以及时发现异常情况并采取相应措施，提高生产效率和产品质量。在军事领域，光纤传感器常用于导弹制导、舰船安全、地震监测等方面。光纤传感器具有抗电磁干扰、高精度、远距离传输等优势，适用于复杂环境下的数据采集与控制。在医疗领域，光纤传感器常用于生物医学测量、体内医疗设备监测等方面。光纤传感器可以实现对重要生理参数的测量，为医疗诊断和治疗提供支持。在环境监测领域，光纤传感器常用于大气污染监测、水质监测、食品安全检测等方面。光纤传感器具有灵敏度高、稳定性好等特点，能够对环境中的污染物进行高精度和实时监测。
光纤传感器的原理及应用
２．光 纤 的 基 本 知 识
图 １ 光 纤 传 光 原 理
若 光在 纤芯 和 包 层 的 界 面 上 发 生全 反射 ， 界 面 上 的 光 则
线 临界折射角 ‘ ）。 ， ‘ ｐ ０ 即 ｐ
ｑ ０ 。而 ｏ 。 ｗ９
ｍｉ ＿． （ｒ一 ＝ ｓ 。 ｉ ｓＯ ｎｉ Ｊｎ ｏｐ 、 ｒ ｎ ｓ ＿ ｎ ｃｔ ／
理系统等组成 。光纤用来传输信号， 半导体光吸收器是光敏感 元件 ， 一定的波长范 围内， 在 它对光的吸收 随温度 Ｔ变化而变
图 ４ 工 业 用 内 窥镜
６ — ９
一
４３ 医用 内窥 镜 －２ ． 医 用 内窥镜 的示 意 图如 下 图 ５所 示 。 它 由末 端 的 物镜 、
５ ．结 束 语
确 地 测 出加 速 度 值 。
４２ 光纤温度传感器 ． 光纤温度 传感器 根据其工作 原理 可分为相位调制型 、 光 强调制 型和偏振光型 。这里介绍 的是 一种 光强调制型 的半导
体光吸收型光纤传感器 ， 结构原理 图如下 图 ３所示 。传感器 其
由半 导 体 光 吸 收 器 、 纤 、 源 和 包 括 光探 测 器 在 内 的信 号 处 光 光
半 导 体 光 吸 收 器
广 － １ －｛钎 探 罂 — “ 测
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光纤传感器在航空航天中的应用研究
光纤传感器在航空航天中的应用研究
随着现代科技的不断进步，航空航天技术也在不断地迎来新的发展。光纤传感器便是其中一项技术的代表，它被广泛地用于航空航天领域。本文将探讨光纤传感器在航空航天中的应用研究。
一、光纤传感器基本原理
光纤传感器的基本原理是利用光线在光纤中的传输特性来测量各种物理量。当光纤中发生温度、压力、应力等变化时，会对光线的传输产生影响，这种影响可以被光纤传感器所感知。通过光纤传感器可以实现对航空器各项参数的监测和控制，从而提高其安全性和性能。
二、光纤传感器在航空航天中的应用
1. 温度监测
光纤传感器可以利用红外吸收原理实现航空器温度的监测，从而减少温度过高或过低对航空器的损害。此外，它还可以检测机体温度变化，及时发现故障并进行维修。
2. 加速度监测
航空器在起飞、飞行、降落等不同阶段会受到不同的加速度影响，这些变化会影响飞行的稳定性和安全性。利用光纤传感器能够实现航空器加速度的实时监测，从而掌握其稳定性状况。
3. 压力监测
航空器在飞行过程中面临着大气压力、液压系统压力等多种压力问题，如果不能及时检测和控制，就会导致航空事故。利用光纤传感器能够实现对航空器内外部压力的实时监测，提高航空器的安全水平。
4. 应力监测
航空器在飞行的过程中会受到多种载荷的作用，如果载荷超过了其承载能力，就会有失事的风险。利用光纤传感器可以实现实时监测和控制航空器的应力变化，对保障其安全性至关重要。
5. 振动监测
航空器在飞行过程中还会遇到一些外力使其产生振动，这些振动会影响其飞行状态。利用光纤传感器可以实现航空器振动的实时监测，从而及时预防飞行事故的发生。
光纤传感器的基本原理
不用透镜的两光 纤直接耦合系统， 结构虽然简单， 但也能很好地工 作。只是接收光 纤端面只占发射 光纤发出的光锥 底面的一部分， 使光耦合系数减 小，灵敏度也降 低一个数量级
(r/dT)2。
利用两个周期结构的光栅遮光屏传感器．通过一对光栅遮光 屏的透射率，从50％(当两个屏完全重叠时)变到零(当一个屏 的不透明条完全覆盖住另一个屏的透明部分)。在此周期性 结构范围内，光的输出强度是周期性的。而且它的分辨率在 光珊条纹间距的10-6数量级以内。这是能够构成很灵敏、很 简单、高可靠的位移传感器的基础。
5.3.1 相位调制
一、应力应变效应
当光纤受到纵向(轴向)的机械应力作用时， 光纤的长度、芯径、纤芯折射率都将发 生变化，这些变化将导致光波的相位变 化.
式中，a为光纤芯的半径；
第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟(应变效应)； 第二项表示感应折射率变化引起的相位延迟(光隙效应)； 第三项则表示光纤的半径改变所产生的相位延迟(泊松效 应)。
5.2.2 透射式强度调制
动光纤式光强调制模型，用来测量位移、压力、温度等物理量。这 些物理量的变化使接收光纤的轴线相对于发射光纤错开一段距离, 光强度调制器的线性度和灵敏度都很好。
采用双透镜系统使入射 光纤在出射光纤上聚焦， 遮光屏在垂直于两透镜 之间的光传播方向上下 移动。这种传感器光耦 合计算方法与反射式传 感器是一样的。在上述 的简化分析限定范围内， 比值δ/r与可移动遮光屏 及两透镜问半径为r的光 柱相交叠面积的百分比α。
分布式光纤传感的基本原理
分布式光纤传感的基本原理
一、引言
分布式光纤传感技术是利用光纤作为传感器，通过对光纤中的光信号
进行分析和处理，实现对物理量的测量和监测。该技术具有高精度、
高灵敏度、可靠性高等优点，在工业、交通、环保等领域得到了广泛
应用。
二、基本原理
1. 光纤传感器的工作原理
光纤传感器是基于光学原理设计制造的一种传感器。其主要组成部分
是光源、光纤和检测系统。在测量过程中，光源会向光纤中发射一束
激光或LED等光线，经过反射或散射后再返回检测系统进行信号处理。
2. 光纤传感器的分类
根据不同的测量原理和应用场景，可以将光纤传感器分为多种类型。
常见的有：
（1）布拉格反射式（FBG）传感器：利用布拉格反射原理实现对温度、压力等物理量的测量。
（2）拉曼散射式（Raman）传感器：利用拉曼效应实现对温度、压
力等物理量的测量。
（3）雷达式（OTDR）传感器：利用光时域反射原理实现对光纤长度、损耗等物理量的测量。
（4）弯曲式传感器：利用光纤弯曲时产生的信号变化实现对温度、应力等物理量的测量。
3. 分布式光纤传感技术的原理
分布式光纤传感技术是一种基于拉曼效应原理的传感技术。在这种技
术中，通过向光纤中注入一束高功率激光，使其产生拉曼散射效应。
当激光与介质相互作用时，会产生散射光信号，并且随着介质内部物
理参数的变化而发生频移。通过对散射光信号进行分析和处理，可以
得到介质内部物理参数分布情况。
4. 分布式温度传感原理
在分布式温度传感中，通过向被测物体表面附近埋设一根特殊的分布
式光纤，在激光作用下，可以得到介质内部温度变化情况。具体原理
光纤传感器的原理
光纤传感器的原理
光纤传感器是一种基于光纤技术的传感器，能够将光信号转换为电
信号，用于测量、监测和控制各种物理量。它具有高精度、高灵敏度、抗干扰性强等优点，被广泛应用于工业自动化、环境监测、医疗诊断
等领域。本文将介绍光纤传感器的工作原理及其应用。
一、光纤传感器的基本原理
光纤传感器的基本原理是利用光的传播特性和传感物理量之间的相
互作用来实现信号的转换。光纤传感器由光源、光纤、光电探测器和
信号处理电路等组成。
1. 光源：光源是产生光信号的装置，通常采用激光二极管或发光二
极管。通过控制光源的电流或电压，可以调节光源的亮度和光强。
2. 光纤：光纤是传输光信号的介质，通常由玻璃或塑料制成。光纤
具有高折射率和低损耗的特点，能够保持光信号的传播质量。
3. 光电探测器：光电探测器将光信号转换为电信号，常用的光电探
测器包括光电二极管、光电倍增管和光电二极管阵列等。光电探测器
的选择取决于光信号的波长和强度。
4. 信号处理电路：信号处理电路用于放大、滤波和解调光电探测器
输出的电信号。根据不同的应用需求，信号处理电路可以包括模拟电
路或数字电路。
二、不同类型的光纤传感器
光纤传感器根据测量的物理量和工作原理的不同，可以分为多种类型。下面将介绍几种常见的光纤传感器。
1. 光纤光栅传感器：光纤光栅传感器利用光栅结构对光信号进行调
制和解调，实现对应变物理量的测量。光纤光栅传感器可以测量温度、压力、应变、位移等参数。
2. 光纤陀螺仪：光纤陀螺仪是一种利用光纤的旋转效应实现角速度
测量的设备。它广泛应用于惯性导航系统、航天器姿态控制等领域。
相位敏感的光纤传感器工作原理
相位敏感的光纤传感器工作原理
光纤传感器在许多领域都得到了广泛的应用，而相位敏感的光纤传感器更是以其独特的优势在众多传感器中脱颖而出。本文将详细介绍相位敏感的光纤传感器的工作原理。
一、基本概念
光纤传感器是一种利用光纤作为敏感元件的光电器件，它可以感知外界环境的变化，并利用光纤将这种变化传输到光电器件，从而实现对被测量变化的感知。相位敏感的光纤传感器则是一种特殊类型的光纤传感器，它利用光纤中的相位变化来感知外界环境的变化。
二、工作原理
相位敏感的光纤传感器基于光的干涉原理进行工作。它利用两个平行的光纤，其中一个光纤中的光信号被调制，形成相干光。当这两个光纤之间的相位差发生变化时，干涉条纹的亮度也会随之改变，从而感知外界环境的变化。
具体来说，相位敏感的光纤传感器在感知外界变化时，会利用一个可调元件（如折射率可调元件）来改变光纤之间的相位差。当外界环境发生变化时，可调元件的参数也会随之变化，从而改变光纤之间的相位差。这种变化会被传输到光电器件，从而产生相应的电信号，实现对被测量变化的感知。
三、优点与缺点
相位敏感的光纤传感器具有许多优点，如灵敏度高、稳定性好、抗干扰能力强、测量范围广等。它可以通过光纤传输信号，具有很好的隐蔽性和安全性，因此在军事、航空航天等领域具有广泛的应用前景。
然而，相位敏感的光纤传感器也存在一些缺点。例如，它需要精确的相位控制和调制技术，这会增加传感器的制造成本和复杂性。此外，它还可能受到环境因素的影响，如温度、压力等，需要采取相应的措施来克服这些影响。
四、应用场景
相位敏感的光纤传感器在许多领域都有应用，如机械振动监测、液体质量流量测量、应变测量、环境监测等。它可以用来感知各种物理量，如温度、压力、速度、加速度等，为各种工业过程和环境监测提供了新的手段。
光纤传感器基本原理
光纤传感器基本原理
光纤传感器是一种利用光的特性进行测量和检测的传感器。它通常由
光纤、光源、光电探测器和信号处理器等组成。其基本原理是利用光纤对
光的传输、散射和反射等现象的特性，通过检测光的强度、频率、相位或
波长等参数的变化来实现测量和检测。
变量光纤传感器是利用光纤对外界物理量的改变引起光信号的变化。
例如，光纤位移传感器利用光的总反射原理，当光纤发生位移时，入射角
发生改变，导致反射光的强度和相位发生变化，通过测量光信号的变化来
确定光纤的位移。光纤压力传感器利用光纤的压力敏感特性，当外界施加
力或压力时，光纤会发生形变，导致入射角、折射率或路径长度发生变化，从而引起反射光的强度和相位发生变化，进而实现压力的测量。
分布式光纤传感器是利用光在光纤中传输时的散射和反射现象来实现
测量。例如，布里渊散射传感器利用光纤中的布里渊散射现象，通过测量
光信号受到的散射功率和频移来确定光纤传感区域的温度或应力分布。拉
曼散射传感器则利用光纤中的拉曼散射现象，通过测量光信号的频移来确
定光纤周围介质的温度或应力。
1.高精度和高灵敏度。光纤传感器能够测量微小的光信号变化，具有
高精度和高灵敏度，可以满足对精确测量和检测的要求。
2.长距离和分布式测量。光纤传感器可以在长距离范围内进行测量，
并且可以实现对大范围区域的分布式测量，具有广泛的应用前景。
3.抗干扰能力强。光纤传感器基于光的传输和反射原理，不受外界磁场、电场等干扰，具有较强的抗干扰能力。
4.无电磁辐射和隔离。光纤传感器通过光的传输进行测量，无电磁辐射，安全可靠，并且能够实现电隔离。
光纤传感技术研究及其应用
光纤传感技术研究及其应用
一、引言
光纤传感技术是将光纤作为传感元件，利用光纤的光学传输、反射、衍射等特性，通过获得光信号的变化来确定环境的状态。相对于传统的电子传感技术，光纤传感技术具有更高的灵敏度、更广阔的频率响应范围和更小的干扰。
二、基本原理
1.光纤的基本结构和光学传输特性
光纤的基本结构包括芯、包层和外护层。光纤芯的直径一般在几个微米至十几微米不等，光线在芯内传递，光的强度随着传播距离的增加而减弱。光线会与光纤芯和包层的边际界面发生反射和折射，当入射角大于全反射角时，光会彻底反射。在外护层的保护下，光纤可以在非常长的距离内传递。
2.光纤传感技术的基本原理
利用光纤的光学特性，光纤传感技术可以通过测量光纤中光信号的变化来获取所要监测的物理量的信息。例如，当光纤传感器接触到温度、压力、振动等物理量时，会引起光纤中光的反射、衍射或漫反射，从而使光信号的强度、频率、相位、偏振方向等参数发生变化。
三、技术分类及相关研究
1.光纤光谱传感技术
光纤光谱传感技术是指利用光谱分析的方法，通过光纤将亮度
变化转换为光谱变化，从而获得所要测量的物理量信息的一种技术。例如，利用光纤光谱传感技术可以测量气体浓度、温度等物
理量。
2.光纤点式传感技术
光纤点式传感技术是指利用光纤的反射、散射等特性，在光纤
的特定位置设置微小反射面或散射点，从而实现对物理量的精确
测量的技术。例如，利用光纤点式传感技术可以实现对振动、形
变等物理量的测量。
3.光纤光弹传感技术
光纤光弹传感技术是指利用光纤和光的受力变化之间的关系，
通过光纤的光学传输变化获得物理量信息的技术。例如，利用光
光纤传感器的原理和特点
光纤传感器的原理和特点
光纤传感器的原理和特点
传感器在我们生活中的应用范围很广，种类也繁多，大到一辆汽车，小到一个智能手环，它们之中所含的传感器，无不是人类智慧的结晶的体现。但本文并不谈论这些产品，下面是相关的知识，欢迎阅读。
1，光纤传感器的原理
光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。其基本原理是将光源的光经入射光纤送人调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。
光纤传感器按传感原理可分为两类：一类是传光型(非功能型)传感器[2]，另一类是传感型(功能型)传感器[3]。在传光型光纤传感器中，光纤仅作为光的传输媒质，对被测信号的感觉是靠其它敏感元件来完成的，这种传感器中出射光纤和入射光纤是不连续的，两者之间的调制器是光谱变化的敏感元件或其它性质的敏感元件。在传感型光纤传感器中光纤兼有对被测信号的敏感及光信号的传输作用，将信号的“感”和“传” 合而为一，因此这类传感器中光纤是连续的。
由于这两种传感器中光纤所起的作用不同，对光纤的要求也不同。在传光型传感器中光纤只起传光的作用，采用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求，而敏感元件可以很灵活地选用优质的材料来实现，因此这类传感器的灵敏度可以做得很高，但需要较多的光耦合器件，结构较复杂;传感型光纤传感器的结构相对来说比较简单，可少用一些耦合器件，但对光纤的要求较高，往往需采用对被测信号敏感、传输特性又好的特殊光纤。到目前为止，实际中大多数采用前者，但随着光纤制造工艺的改进，传感型光纤传感器也必将得到广泛的应用。
光纤传感器的基本原理
= 2π/λ 相位失配为零，模间精 合达到最佳。
光纤传感器的基本原理
变形器的位移改变了弯曲处的模振幅，从而产生 强度调制。
对于抛物线(或平方律或梯度)折射率分布的光 纤．
变形器的临界空间周期为
对于阶跃光纤
光纤传感器的基本原理
光纤传感器的基本原理
光纤传感器的基本原理
二、利用半导体的吸收特性进行强度调制 大多数半导体的禁带宽度Eg都随着
温度T的升高而几乎线性地减小。它们的 光吸收边的波长将随着T的升高而变化。
光纤传感器的基本原理
5.3 相位调制机理
• 利用光相位调制来实现一些物理量的测 量可以获得极高的灵敏度。
• 相位调制光纤传感器的基本传感原理是： 通过被测能量场的作用，使光纤内传播 的光波相位发生变化，再用干涉测量技 术把相位变化转换为光强变化，从而检 测出待测的物理量。
(r/dT)2。
光纤传感器的基本原理
利用两个周期结构的光栅遮光屏传感器．通过一对光栅遮光 屏的透射率，从50％(当两个屏完全重叠时)变到零(当一个屏 的不透明条完全覆盖住另一个屏的透明部分)。在此周期性结 构范围内，光的输出强度是周期性的。而且它的分辨率在光 珊条纹间距的10-6数量级以内。这是能够构成很灵敏、很简 单、高可靠的位移传感器的基础。
光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为
光纤温度传感器 原理
光纤温度传感器原理
光纤温度传感器是一种利用光纤中光的传输特性来实现温度测量的装置。光纤传感器的主要原理是基于光学效应和光纤本身的热导特性。
光纤传感器中常用的原理之一是光纤布拉格光栅原理。布拉格光栅是由许多周期性折射率变化组成的光栅结构，可以将光波分散为多个特定波长的反射光。当光经过布拉格光栅时，如果有外部温度变化作用于光纤上，光纤的长度会发生微小变化，导致反射波长发生改变。通过测量反射光的波长变化，可以确定温度的变化。
另一种常用的原理是基于光纤的热导特性。光纤是一种具有热导性能的材料，当光纤受到外界温度变化时，其内部的热量会发生传导，并导致光纤的温度发生相应改变。通过在光纤表面附加敏感材料，如热敏电阻或热电偶，可以测量光纤的温度变化。
光纤温度传感器具有高精度、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，在许多领域被广泛应用。例如，在工业生产中，光纤温度传感器可用于监测管道、容器、设备的温度变化，实现温度控制和安全监测。在医疗领域，光纤温度传感器可以用于监测人体温度变化，辅助诊断和治疗。此外，光纤温度传感器还可用于火灾预警、环境监测等领域。
光纤光栅传感器基本原理之二,光纤光栅传感原理
北诺®毛细®光纤光栅传感器基本原理之二，
光纤光栅传感原理
在上一篇《北诺®毛细®光纤光栅传感器基本原理之一，波的反射与叠加》文章中，我们通过声波来类比光波，给出了大家了解北京大成永盛科技有限公司生产的北诺®毛细®系列无缝钢管光纤光栅传感器基本原理所需的前置知识——波的反射与叠加（干涉）。今天我们将以此为基础，介绍光纤光栅传感器的基本原理。本篇文章同样为科普性文章，非科研性文章，如果哪位朋友觉得本文有错误，也请来信指正。
光纤光栅传感器（Fiber Grating Sensor）属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格光栅（Bragg）波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。
下图图1所示即为一根刻写了布拉格光纤光栅的光纤纤芯示意图（真实直径9微米）。人们使用掩膜板、飞秒激光或者其它的加工方式，在光纤的纤芯部分形成无数条具有相同间距的弱反射面（我们在此暂不介绍更复杂的光栅），这些弱反射面被称为光纤光栅，各个弱反射面之间的距离被称为光栅栅距或光栅周期（我们一般用Λ这个符号来表示它——请记住这个符号，下文需要用到）。
图1
利用上述光纤光栅就可以进行基本的传感测量，其原理如下图2所示：
图2
图2中间所示即是一根封装好的北诺®毛细®系列无缝钢管光纤光栅传感器：宽带入射光从传感器的一端进入光纤，遇到光纤光栅后，大部分波长的光作为透射光直接穿过光纤光栅，少部分特殊波长的光被反射了回去（请注意这个特殊波长，这就是我们每次要检测的对象，我们用λＢ来表示它）。λＢ和我们前面所说的光栅栅距Λ有直接关系，表征其关系的数学表达式为：λＢ ＝２ｎｅｆｆΛ，其中λ为反射波长，ｎｅｆｆ是光纤纤芯折射率，Λ是光栅栅距。
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8A 0 c
▲光纤陀螺仪的结构：
8NA 其相移表达式为：
0 c
(4)法布里-珀罗(Febry-Perot)光纤干涉仪
这种干涉仪与前几种干涉仪的根本区别是，前几种千涉仪都是双光束 干涉，而法布里一琅罗干涉仪是多光束干涉。根据多光束干涉的原理，探 测器上探测到的干涉光强的变化为 4R I I 0 /[1 sin( )] 2 2 (1 R)
▲马赫-泽德全光纤干涉仪的基本结构：
保证全光纤干涉仪的工作点稳定是比较困难的。在 零差检测方式中，需要保证两光纤臂间的正交状态。所 谓“正交状态”，是指于涉仪的两臂光波间的相对相位 为90o。正交检测方式的优点是探测相位灵敏度最高。
(3)赛格纳克(Sagnac)光纤干涉仪
当把这种干涉仪装在一个 可绕垂直于光束平面轴旋转的 平台上，且平台以角速度Ω转 动时，根据赛格纳克效应，两 束传播方向相反的光束到达光 探测器的延迟不同。若平台以 顺时针方向旋转，则在顺时针 方向传播的光较逆时针方向传 播的光延迟。这个相位延迟量 可表示为
式中，a为光纤芯的半径； 第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟(应变效应)； 第二项表示感应折射率变化引起的相位延迟(光隙效应)； 第三项表示光纤的半径改变所产生的相位延迟(泊松效应)。
L L
纵向应变引起的相位变化 径向应变引起的相位变化 光弹效应引起的相位变化 一般形式的相位变化
实现纵向、径向应变最简便的方法是采用一个空心的 压电陶瓷圆柱筒(PZT)，在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圈 光纤，并在其径向或轴向施加驱动信号，由于PZT筒的直 径随驱动信号变化，故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光 纤承受到应力，光波相位随之变化。
2n时，干涉光强有最ห้องสมุดไป่ตู้值 I0
1 R 2 两者之比为 ( ) 1 R
(2n 1)时，干涉光强有最小值 (
1 R 2 ) I0 1 R
▲法布里-珀罗光纤干涉仪：
四、频率调制机理
它主要是利用运动物体反射或散射光的多普勒频移 效应来检测其运动速度。 多普勒效应是指当光源和观察者作相对运动时，观 察者按收到的光频率和光源发射的频率不同的现象。
1.相位调制 相位调制是通过干涉仪进行的，在光纤干涉仪中，以 敏感光纤作为相位调制元件。敏感光纤置于被测能量场中， 由于被测场与敏感光纤的相互作用，导致光纤中光相位的 调制。 (1)应力应变效应 光波通过长度为L的光纤后，出射光波的相位延迟为
2
光波在外界因素的作用下，相位的变化可以写成如下形式 L L L L L n L a L n a
第八章、光纤传感器基本原理
三、相位调制机理
相位调制光纤传感器的基本传感原理:通过被测能 量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再用 干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出 待恻的物理量。 光纤中光的相位由光纤波导的物理长波、折射率及 其分布、波导横向几何尺寸所决定，可以表示为k0nL， 其中k0为光在真空中的波数，n为传播路径上的折射率， L为传播路径的长度。一般说，应力、应变、温度等外界 物理量能直接改变上述三个波导参数，产生相位变化， 实现光纤的相位调制。
2.光纤多普勒系统的局限性 光纤多普勒系统的主要局限性是检测媒质的穿透范围小， 原因是发射光纤端面和入射进光纤的数值孔径太小，可用下 图的透镜系统可解决这一问题。
2.光纤干涉仪 —敏感光纤完成相位调制任务，干涉仪完成相 位—光强的转换任务。
设有光振幅分别为A1和A2的两个相干光束。 如果其中一束光的相位由于某种因素的影响受到 调制，则在干涉域中产生干涉。干涉场中各点的 光强可表示为：
2 A2 A12 A2 2 A1 A2 cos( )
式中，△φ是相位调制引起的两相干光之间的相位差。
v f 2 f [1 (cos1 cos 2 )] c
1.光纤多普勒技术 激光通过偏振分束器和输入光学装置射入多模光纤，光 纤的另一端插入流体中以便测量流体或其中粒子运动速度。 光在流体中散射，其中一部分散射光被光纤收集，沿光纤返 回。散射光是随机偏振光，因此返回光有一部分被偏振分束 器反射到光探测器。
当光源和观察者处于相对静止的二个位置时，可 当作双重多普勒效应来考虑。先考虑从光源到运动体， 再考虑从运动体到观察者。
v 在P点， f1 f [1 ( ) cos 1 ] c
v 在Q处， f 2 f1 [1 ( ) cos 2 ] c
根据上述两式，并考虑v<<c，可近似把双重 多普勒频率方程表示为
设光源和观察者处于同一位置。如果频率为f的光照射 在相对光速度为v的运动物体上，那么观察者接收的运动物 体反射光频率f1为 1/ 2
v2 v f1 f [1 ( ) cos ] 1 c 2 c v f [1 ( ) cos ] c
式中，θ是光源至观察着方向与运动方向的夹角。
(2)温度应变效应 若光纤放置在变化的温度场中，并把温度场变化等效 为作用力F时，那么作用力F将同时影响光纤折射率、和长 度L的变化。由F引起光纤中光波相位延迟为
式中第一项表示折射率变化引起的相位变化；第二项 表示光纤几何长度变化引起的相位变化，式中没有考虑光 纤直径变化对相位变化的影响。若上式用温度变化△T和相 位变化描述，则有
(1)迈克尔逊(Michlson)光纤干涉仪
2k 0 l 两相干光的相位差为：
当可移动反射镜每移动△l=λ/2长度，光探测器 的输出就从最大值变到最小值，再变到最大值，变化 一个周期。
▲迈克尔逊全光纤干涉仪的结构：
(2)马赫-泽德(Mach-Zehnder)光纤干涉 仪
与迈克尔逊干涉仪之区别： 1.它没有光返回到激光器，利于激光器减少不稳定噪声； 2.从分束器上也可以获得两束光，一为参考光的反射，一 为信号光的透射，若需要，可利用这两束光获得第二个输出 信号。