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光纤传感器 ppt
2、光纤传感器技术的特点
光纤传感器较传统的传感器相比有许多特点： 灵敏度高 结构简单 体积小 耗电量少 耐腐蚀 绝缘性好 光路可弯曲 便于实现远调（远距离调控）。 光纤传感器技术是一门多学科性科学，涉及知识面广泛， 如纤维光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术和 微型计算机应用等。
3、光纤传感器的组成与分类 （1）功能型光纤传感器 （2）传光型光纤传感器
光纤电流 传感器
光纤生物 传感器
温度光纤传感器 敏感头
（1）功能型光纤传感器
利用光纤本身的某种敏感特性或功能制作的传感 器，称为功能型传感器。
一根光纤伸 长，一根光 纤缩短
光程差变化
光纤应变传感器
（
2）传光型光纤传感器
光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其他 敏感元件才能构成传感器，称为传光型传感器。
例：将敏感元件置于入射与接收光纤中间，在被
测对象的作用下，或使敏感元件遮断光路，或使 敏感元件的光透射率发生变化，这样，光探测器 通光量便成为被测对象调制后的信号；
举例: (1) 投币机；计数装置
二、光导纤维以及光在其中的传播
在实际系统中，用光纤输出端面作为R面。
信号光束只受到垂直振动分量U⊥cosωt的调制。 由于振动体使反射点靠近或远离光纤，从而改 变了信号光束的光路长度，相应改变了信号光 与参考光的相对相位，产生了相位调制。信号 光与参考光之间的相位差为：
4
U cost
式中，λ为激光波长，ω为光波圆频率。
光纤传感器
目 录
一、概论 二、光导纤维以及光在其中的传播 三、光纤传感器的光源 四、光纤传感器应用范例
《分布式光纤传感器》课件
03Leabharlann 交通用于监测高速公路、 铁路和桥梁的结构健 康，确保交通安全。
04
环保
用于监测土壤、水和 空气的质量，以及污 染源的定位。
分布式光纤传感器的优势与局限性
优势 同时测量沿光纤分布的温度和应变等物理量； 高精度、高灵敏度和高分辨率；
分布式光纤传感器的优势与局限性
测量距离长，可实现连续监测； 耐腐蚀、抗电磁干扰和本征安全。
分布式光纤传感器的成本和稳定性问题也需要得到解决，以便更好地推广和应用。
分布式光纤传感器与其他传感器的集成和协同工作需要进一步研究，以提高监测系 统的整体性能和稳定性。
对未来研究和应用的建议
鼓励产学研合作，加强分布式 光纤传感器技术的研发和应用 研究，推动技术进步和产业发
展。
加强国际合作与交流，借鉴 国外先进技术和发展经验， 提高我国分布式光纤传感器
技术的国际竞争力。
鼓励企业加大投入，推动分布 式光纤传感器技术的商业化应 用，拓展应用领域和市场空间
。
THANKS
感谢观看
开发新型分布式光纤传感器技术
新材料
探索新型的光纤材料和光学器件，以 提高分布式光纤传感器的性能和功能 。
新原理
研究新的分布式光纤传感原理和技术 ，以拓展其应用领域和解决现有技术 的局限性。
05
结论
Chapter
分布式光纤传感器的重要性和应用前景
分布式光纤传感器在长距离、大范围监测中具 有明显优势，可广泛应用于石油、天然气、电 力等行业的安全监测和预警系统。
预警系统
利用分布式光纤传感器监测建筑物周围的环境变化，如地震、风力和 温度等，及时发出预警，预防潜在的自然灾害和人为破坏。
04
第-十一章-光纤传感器
第 十一章 光纤传感器
§11.0 光纤传感器概述 §11.1 光纤与光纤传感器 §11.2 功能型光纤传感器 §11.3 非功能型光纤传感器
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第11章 光纤传感器
• 光纤与光纤传感器 • 功能型光纤传感器 • 非功能型光纤传感器
光纤传感器的特点
• 灵敏度高 • 电绝缘性能好 • 抗电磁干扰 • 耐腐蚀、耐高温 • 体积小、重量轻
l
x Kl 2T h
h x
b
•△T:温度变化 •l：双金属片长度 • K：常数
光纤束 光 透 射 率 0
遮光板 双金属片
温度
50
光纤束
利用半导体光吸收的光纤温度传感器
2.4
禁 带 宽 度
相
GaP
对
光
GaAs 强
Si
InP
0
温度K 600
波μm
透 射 T1 率
T2 T3
光源 放大器
温度敏 感元件
2
2 T 2 1
ln R C1 ( 1 1 )
T 2 1
四、频率调制型光纤传感器
光学多普勒效应
光源
V
es
粒
子
e0
探测器
f f0
1 v e0
c
1 v e0
2
c
f
f 0 (1
v
e0 c
)
fs
f (1 v es ) c
fs
f0 (1
v
(es e0 ) ) c
1
E E
介质
H
光路
输电线
起偏器
I
激光器
I1 检偏器 I2
I1-I2 I1+I2
§11.0 光纤传感器概述 §11.1 光纤与光纤传感器 §11.2 功能型光纤传感器 §11.3 非功能型光纤传感器
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第11章 光纤传感器
• 光纤与光纤传感器 • 功能型光纤传感器 • 非功能型光纤传感器
光纤传感器的特点
• 灵敏度高 • 电绝缘性能好 • 抗电磁干扰 • 耐腐蚀、耐高温 • 体积小、重量轻
l
x Kl 2T h
h x
b
•△T:温度变化 •l：双金属片长度 • K：常数
光纤束 光 透 射 率 0
遮光板 双金属片
温度
50
光纤束
利用半导体光吸收的光纤温度传感器
2.4
禁 带 宽 度
相
GaP
对
光
GaAs 强
Si
InP
0
温度K 600
波μm
透 射 T1 率
T2 T3
光源 放大器
温度敏 感元件
2
2 T 2 1
ln R C1 ( 1 1 )
T 2 1
四、频率调制型光纤传感器
光学多普勒效应
光源
V
es
粒
子
e0
探测器
f f0
1 v e0
c
1 v e0
2
c
f
f 0 (1
v
e0 c
)
fs
f (1 v es ) c
fs
f0 (1
v
(es e0 ) ) c
1
E E
介质
H
光路
输电线
起偏器
I
激光器
I1 检偏器 I2
I1-I2 I1+I2
光纤和激光传感器ppt课件
半屈式内镜阶段（1932～1957）
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
光导纤维内镜阶段（1957年至今）
• 1954年，英国的Hopkins和Kapany发明了光导纤维技 术。
• 1911年Elsner对Rosenhein式胃窥镜作了改进， 在前端加上橡皮头做引导之用，但透镜脏污后 便无法观察成为主要缺陷，Elsner式胃镜1932 年以前仍处于统帅地位。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
• 功能型光纤（光纤传感器）
– 可以测量的物理信息种类：声、振动、温度、磁、 旋转等
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
3.9.1 光纤传感器
• 1）
•
纤芯为石英玻璃等材料制成的导光纤维细丝，直
• 最初Bozzine研制的第一台硬管内镜以烛光为 光源，后来改为灯泡作光源，而当今从内镜获 得的是彩色相片或彩色电视图像。这图像不再 是组织器官的普通影像，而是如同在显微镜下 观察到的微观像，微小病变清晰可辨，其影像 质量已达到了较高的水平。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
光导纤维内镜阶段（1957年至今）
• 光在光纤内经过若干次的全反射,光就能从光纤的一端 以光速传播到另一端,这就是光纤传光的基本原理
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
光导纤维内镜阶段（1957年至今）
• 1954年，英国的Hopkins和Kapany发明了光导纤维技 术。
• 1911年Elsner对Rosenhein式胃窥镜作了改进， 在前端加上橡皮头做引导之用，但透镜脏污后 便无法观察成为主要缺陷，Elsner式胃镜1932 年以前仍处于统帅地位。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
• 功能型光纤（光纤传感器）
– 可以测量的物理信息种类：声、振动、温度、磁、 旋转等
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
3.9.1 光纤传感器
• 1）
•
纤芯为石英玻璃等材料制成的导光纤维细丝，直
• 最初Bozzine研制的第一台硬管内镜以烛光为 光源，后来改为灯泡作光源，而当今从内镜获 得的是彩色相片或彩色电视图像。这图像不再 是组织器官的普通影像，而是如同在显微镜下 观察到的微观像，微小病变清晰可辨，其影像 质量已达到了较高的水平。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
光导纤维内镜阶段（1957年至今）
• 光在光纤内经过若干次的全反射,光就能从光纤的一端 以光速传播到另一端,这就是光纤传光的基本原理
《光纤传感器》PPT课件
（a）折射角大于入射角：n1 sin i n2 sin r （b）临界状态： i0 arcsin(n2 / n1 ) （c）全反射 ：
返 回
i i
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0
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光纤导光
n0 sin i n1 sin j n1 sin k n2 sin r
返 回 上一页 下一页
Whenlight enters the fiber, it is important to determine the maximum angle of entry which will result in total internal reflections). If we take that minimum angle of an internal reflection, then the maximum angle can be found from Snell’s law
差动式膜片反射型光纤压力传感器
1．输出光纤
2．输入光纤
3．输出光纤
4．胶
5．膜片
I 2 1 Ap A―常数； 两束输出光的光强之比 I 1 1 Ap p―待测量压力
输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关
返 回 上一页 下一页
将上式两边取对数，在满足(Ap)2≤1时，得到
光纤传感器 optical fiber sensor
光纤传感优点： 灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制 成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不 同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件； 可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它 的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相 容性。 应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、 液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。
《光纤传感器》课件
光纤传感器的应 用：广泛应用于 航空航天、医疗、 工业等领域，如 光纤陀螺仪、光 纤温度传感器等
光的调制技术：通过改变光的强度、相位、频率等参数，实现对信息的编码和传 输
光纤传感器的工作原理：利用光的调制技术，将待测物理量转换为光信号，通过 光纤传输到接收端，进行检测和处理
光的调制技术在光纤传感器中的应用：通过光的调制技术，可以实现对温度、压 力、流量等物理量的高精度测量
工作原理：利用光纤对温度敏 感的特性进行测量
特点：精度高、响应速度快、 抗干扰能力强
应用实例：温度监测、温度控 制、温度补偿等
应用领域：广泛应用于工业、医疗、航空航天等领域 工作原理：通过光纤的折射率变化来测量压力 特点：高精度、高灵敏度、抗干扰能力强 应用实例：在飞机发动机、汽车发动机、液压系统中的应用
应用领域：广泛应 用于工业自动化、 机器人、航空航天 等领域
工作原理：利用光 纤的弹性和光学特 性，测量物体的位 移变化
特点：精度高、 响应速度快、抗 干扰能力强
实例：在汽车制造、 机械加工、电子设 备等领域的应用
应用领域：广泛应 用于石油、化工、 食品、医药等行业
工作原理：利用光 纤的折射率变化来 测量液位
提高灵敏度：通过优化光纤结构和材料，提高传感器的灵敏度 降低成本：通过优化生产工艺和材料选择，降低传感器的生产成本 提高稳定性：通过优化传感器设计和材料选择，提高传感器的稳定性和可靠性 提高兼容性：通过优化传感器设计和材料选择，提高传感器与其他设备的兼容性和互操作性
应用领域：工业、医疗、科研 等领域
量测量
应用领域：化 工、环保、食 品、医药等行
业
工作原理：利 用光纤对光的 敏感性，检测 液体或气体的
浓度
光纤传感器基本原理PPT课件
运动体的返回信号大小取决于背向散射光强、媒质衰 减和光纤接收面积及数值孔径。 返回进入光纤的总功率Pr
53
5.5 波长调制机理
波长调制光纤传感器主要是利用传感探头的光频谱特性 随外界物理量变化的性质来实现的。此类传感器多为 非功能型传感器。
54
5.5.1 光纤pH探测技术
这种技术利用化学指示剂对被测溶液的颜色反应 来测量溶液的pH值.
光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为
强度调制光纤传感器 相位调制光纤传感器 频率调制光纤传感器 偏振调制光纤传感器 波长(颜色)调制光纤传感器
4
5.2 强度调制机理
5
5.2.1 反射式强度调制
这是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传光作用.
6
输出光纤端面受光锥照 射的表面所占的百分比 为
7
56
5.2 光纤磷光探测技术
57
两个光电二极管的敏感 波长不同，一个对540 nm的光敏感，另一个 对630 nm的光敏感。经 光电二极管转换成电信 号，再经过电子电路进 行信号处理，得到相对 光强与温度变化的特性 曲线。经校正可以得到 输出相对光强与温度呈 线性关系。
58
5.5.3 光纤黑体探测技术
通过测量物体的热辐射能量确定物体表面温度是 非接触式测温技术。物体的热辐射能量随温度 提高而增加。对于理想“黑体”辐射源发射的 光谱能量可用热辐射的基本定律之一普朗克 (Plank)公式表述.
E 0 (,T ) C 1 3 (e c 2/T 1 ) 1
所谓“黑体”、就是能够完全吸收入射辐射，并 具有最大发射率的物体。
34
二、温度应变效应
仅考虑径向折射率变化时，其相位随温度变化为
35
5.3.2 光纤干涉仪
53
5.5 波长调制机理
波长调制光纤传感器主要是利用传感探头的光频谱特性 随外界物理量变化的性质来实现的。此类传感器多为 非功能型传感器。
54
5.5.1 光纤pH探测技术
这种技术利用化学指示剂对被测溶液的颜色反应 来测量溶液的pH值.
光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为
强度调制光纤传感器 相位调制光纤传感器 频率调制光纤传感器 偏振调制光纤传感器 波长(颜色)调制光纤传感器
4
5.2 强度调制机理
5
5.2.1 反射式强度调制
这是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传光作用.
6
输出光纤端面受光锥照 射的表面所占的百分比 为
7
56
5.2 光纤磷光探测技术
57
两个光电二极管的敏感 波长不同，一个对540 nm的光敏感，另一个 对630 nm的光敏感。经 光电二极管转换成电信 号，再经过电子电路进 行信号处理，得到相对 光强与温度变化的特性 曲线。经校正可以得到 输出相对光强与温度呈 线性关系。
58
5.5.3 光纤黑体探测技术
通过测量物体的热辐射能量确定物体表面温度是 非接触式测温技术。物体的热辐射能量随温度 提高而增加。对于理想“黑体”辐射源发射的 光谱能量可用热辐射的基本定律之一普朗克 (Plank)公式表述.
E 0 (,T ) C 1 3 (e c 2/T 1 ) 1
所谓“黑体”、就是能够完全吸收入射辐射，并 具有最大发射率的物体。
34
二、温度应变效应
仅考虑径向折射率变化时，其相位随温度变化为
35
5.3.2 光纤干涉仪
光纤传感器的应用举例课件
石油化工领域
光纤传感器用于监测油井和化工厂的温度 、压力等参数，保障生产安全。
生物医疗领域
光纤传感器用于监测生理参数，如血压、 血氧饱和度等，以及在医疗设备中用于定 位和监测病情。
航空航天领域
光纤传感器用于监测飞机和火箭等飞行器 的温度、压力和振动等参数，保证飞行安 全。
CHAPTER
02
光纤传感器在能源领域的应用
油气管道监测
监测油气管道的应变 、温度和压力等参数 ，确保管道安全运行 。
监测管道周围土壤的 位移和沉降，预防管 道因地质灾害而损坏 。
实时监测管道泄漏， 及时报警并采取措施 ，减少环境污染和经 济损失。
石油钻井监测
监测钻井过程中的温度、压力、振动 等参数，优化钻井工艺，提高钻井效 率。
监测钻井液的性能，确保钻井液的循 环和使用效果，提高钻井安全性。
铁路轨道监测
监测铁路轨道的形变、位移和振动，确保列车安 全运行。
实时监测轨道温度，预防因温度变化引起的轨道 热胀冷缩。
检测轨道裂纹和损伤，预防事故发生。
高速公路监测
1
监测高速公路的路面状况，包括裂缝、坑洼和积 水等。
2
实时监测高速公路的交通流量和车速，优化交通 管理。
3
检测路标和指示牌的完整性和清晰度，确保行车 安全。
CHAPTER
05
光纤传感器在医疗领域的应用
医疗诊断
实时监测生理参数
光纤传感器可以实时监测患者的 血压、心率、呼吸等生理参数， 为医生提供准确的数据，有助于
及时诊断病情。
检测生物分子
光纤传感器能够检测生物分子，如 蛋白质、核酸等，用于诊断疾病和 监测治疗效果。
光学成像
光纤传感器结合光学成像技术，能 够实现无创、无痛、无辐射的医学 成像，如内窥镜、光学相干断层扫 描等。
相关主题
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2、光纤传感器光源分类
非相干光源
包括白炽光源与发光二极管；
相干光源（频率相同，相位差恒定）
包括各种激光器：半导体激光器、氦氖激光器、
固体激光器；
在大多数光纤传感器中希望使用相干光源。
四、光纤传感器应用示例
1.反射型光纤位移 传感器
2.光纤振动传感器
光纤声音传感器
（1）反射型光纤位移传感器
光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其他 敏感元件才能构成传感器，称为传光型传感器。
例：将敏感元件置于入射与接收光纤中间，在被
测对象的作用下，或使敏感元件遮断光路，或使 敏感元件的光透射率发生变化，这样，光探测器 通光量便成为被测对象调制后的信号；
举例: (1) 投币机；计数装置
二、光导纤维以及光在其中的传播
3、光纤传感器的组成与分类 （1）功能型光纤传感器 （2）传光型光纤传感器
光纤电流 传感器
光纤生物 传感器
温度光纤传感器 敏感头
（1）功能型光纤传感器
利用光纤本身的某种敏感特性或功能制作的传感 器，称为功能型传感器。
一根光纤伸 长，一根光 纤缩短
光程差变化
光纤应变传感器
（
2）传光型光纤传感器
五、光纤传感器应用前景
光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术 发展而形成的一门崭新的传感技术。 光纤传感器的传感灵敏度要比传统传感器高许多 倍，而且它可以在高电压、大噪声、高温、强腐蚀性 等很多特殊环境下正常工作，还可以与光纤遥感、遥 测技术配合，形成光纤遥感系统和光纤遥测系统。
光纤传感技术是许多经济、军事强国争相研究的 高新技术，它可广泛应用于国民经济的各个领域和国 防军事领域。在航天（飞机及航天器各部位压力测量、 温度测量、陀螺等）、航海（声纳等）、石油开采 （液面高度、流量测量、二相流中空隙度的测量）、 电力传输（高压输电网的电流测量、电压测量）、核 工业（放射剂量测量、原子能发电站泄漏剂量监测） 医疗（血液流速测量、血压及心音测量）、科学研究 （地球自转，敏感蒙皮）等众多领域都得到了广泛的 应用。 由于光纤传感器具有高灵敏度、耐腐蚀、抗干扰、 体积小等优点，使用范围广泛，可以检测温度、压力、 角位移、电压、电流、声音和磁场等多种物理量。因 而深受各方面欢迎，军民兼用，效果很好，发展速度 快。
2、光纤传感器技术的特点
光纤传感器较传统的传感器相比有许多特点： 灵敏度高 结构简单 体积小 耗电量少 耐腐蚀 绝缘性好 光路可弯曲 便于实现远调（远距离调控）。 光纤传感器技术是一门多学科性科学，涉及知识面广泛， 如纤维光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术和 微型计算机应用等。
光纤传感器
周利鹏
08机制7班
目 录
一、概论 二、光导纤维以及光在其中的传播 三、光纤传感器的光源 四、光纤传感器应用范例
一、概 论
1、光纤传感器技术的形成 2、光纤传感器技术的特点
3、光纤传感器的组成与分类
1、光纤传感器技术的形成
光纤传感器技术是上世纪70年代末发展起来的一门崭新的技 术，是传感器技术的新成就。 光纤传感器是随着光导纤维实用化与光通信技术的发展而形 成的。光纤作为远距离传输光波信号的媒质，最早用于光通 信技术中。 在实际光通信过程中发现,光纤受到外界环境因素的影响。 当压力、温度、电场、磁场等环境条件变化时，将引起光纤 传输的光波量如光强、相位、频率、偏振态等变化。因此， 科技人员推测，如果能测量出光波量变化的大小，就可以知 道导致这些光波量变化的压力、温度、电场、磁场等物理量 的大小，于是就出现了光纤传感器技术。
光源发出的光进入发送光纤，从光纤测头端面射出，照射 到A面上，A面的反射光有一部分进入接收光纤。当A面到
测头端面之间的距离z变化时，进入接收光纤的光强度随 之发生变化，从而使光探测器上发出的电信号也随之发生
变化。
（2）光纤振动传感器
原理
激光束通过分束器、光纤入射到振动体上的一 点，反射光作为信号光束，经过同一光学系统， 被引入到探测器。参考光束是从由
传播原理：全反射
三、光纤传感器的光源 1、光纤传感器光源要求 2、光纤传感器光源分类
1、光纤传感器光源要求
由于光纤传感器结构所限，要求 光源的体积小 ， 便于与光纤耦合； 光源要有 足够的亮度 ，以提高传感器输出的光 功率； 光源发出的光波长应适合 ，以减少光波在光纤 中传播时的能量损耗； 光源工作时 稳定性好、噪声小 ，能在室温下连 续长期工作； 光源要便于维护，使用方便。
在实际系统中，用光纤输出端面作为R面。
信号光束只受到垂直振动分量U⊥cosωt的调制。 由于振动体使反射点靠近或远离光纤，从而改 变了信号光束的光路长度，相应改变了信号光 与参考光的相对相位，产生了相位调制。信号 光与参考光之间的相位差为：
4
Ucost
式中，λ为激光波长，ω为光波圆频率。