第2章4光纤式传感器
光纤传感器
这种干涉仪是多光束干涉，与前几种双光束干涉仪不同。
光 源
BS
M2
光纤
M1
调制
S0(t)
透射 输出
反射输出
几种干涉仪的共同点：如果相干光均在空气中传播, 受环境温度变化的影响，会引起空气折射率的扰动以 及声波干扰，导致空气光程的变化，造成工作不稳定， 精度的降低。
利用单模光纤作干涉仪的光路，可以减小环境温度的 影响。
其中
2
a
微弯光纤纤芯半径
n1 n2 相对折射率差 n1
2 2 n1 n2 2 2n1
对SIF, 对GIF,
g
g2
有: 有:
0
a
2a
0
例:水听器
2．光强度的外调制
外调制技术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤
本身只起传光作用。这里光纤分为两部分：发送光纤和
例
被测物理量(温度)
I in
折射率改变
I out
1
强度改变
2 3
(a)
(b)
斜面反射式光纤温度传感器 1、2 光纤 3 棱镜
4 由光吸收系数的改变引起的强度调制
X射线等辐射线会使光纤材料的吸收损耗增加,光纤的输出 功率降低.
辐射 Iin L Iout D
(二) 解调
S0(t)
1 直接检测
L
D2 S D1
可得: I 2 I 0 1 cos( m t )
频移 m 一般由声光调制器AOM(布喇格盒)获得.其实质 是多谱勒效应
注:相位检测技术非常复杂,限于课时,不能展开讲解.有兴趣 的同学可参看王惠文主编的«光纤传感技术与应用»一书.
光纤传感器基本原理
光纤传感器基本原理
光纤传感器基本原理是利用光纤的特殊性质，将光信号转换为电信号。
在光纤传感器中，光源发出的光经过光纤传播，在光纤的某一点与外界的物理量进行相互作用后，光信号发生变化。
传感器的探测部分是光纤的一段，在传感区域内，光信号的幅度、相位、频率等参数会随着被测量的物理量发生变化。
光纤传感器的工作原理基于光的干涉、散射、吸收等现象。
其中，基于光纤干涉原理的传感器是最常见的类型。
这类光纤传感器一般采用法布里-珀罗特（F-P）干涉仪的结构。
当光纤中
的光信号遇到传感器传感区域的物理量变化时，传感区域的折射率发生改变，导致传感区中的干涉光程差发生变化。
这一变化会通过反射回到光纤，进而对干涉光信号产生影响。
通过测量干涉光信号的变化，可以推断出传感区域中物理量的变化情况。
除了光纤干涉原理外，还有其他一些基于光纤散射和吸收的传感器原理。
光纤散射传感器是利用光在光纤中发生散射的特性，通过测量光的散射强度或相位变化来得到物理量的信息。
光纤吸收传感器则是利用光在光纤中被介质吸收的特性，通过测量吸收光信号的强度变化来推断物理量的变化。
光纤传感器具有体积小、响应速度快、抗电磁干扰强等优点，广泛应用于温度、压力、拉力、位移等物理量的测量领域。
随着技术的不断进步，光纤传感器的精度和可靠性也在不断提高，为工业自动化、医疗、环境监测等领域的应用提供了可靠的检测手段。
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纤作为传感元件的传感器，它通过光纤中的光信号的强度、频率或相位的变化来感知和测量环境参数的传感器装置。
光纤传感器具有高可靠性、抗干扰能力强、响应速度快等优点，广泛应用于测量、通信、工业自动化等领域。
首先是光源部分：光源可以是激光器、LED等产生光信号的装置。
光源通过光纤传输光信号到目标位置，其中包括了传感器测量的环境参数。
然后是光纤部分：光纤是光信号传输的介质，通常由一根或多根光纤组成。
光纤可以是单模光纤或多模光纤，其核心材料通常是高纯度玻璃或塑料。
光信号通过光纤的内部反射来传输，通过改变光纤的长度、形状或者在光纤表面附加外界物质等方式，可以实现对环境参数的测量。
最后是光电检测器部分：光电检测器用于接收光信号并将其转化为电信号。
光电检测器可以是光电二极管、光电转换器等。
当光信号到达光电检测器时，光信号激发光电检测器产生电流变化，进而将光信号转化为电信号。
通过测量电信号的特征，如电流的强度、频率或相位的变化，可以获得环境参数的信息。
光纤传感器的工作原理有很多种，最常见的是基于光强度的测量。
当环境参数发生变化时（如温度、湿度、压力等），这些变化会导致光信号的强度发生变化。
光纤传感器通过测量光信号的强度变化来确定环境参数的变化情况。
另外一种常见的光纤传感器工作原理是基于光频率的测量。
当环境参数变化时，这些变化会引起光信号的频率移动。
通过测量光信号频率的变化，可以确定环境参数的变化情况。
还有一种光纤传感器工作原理是基于光相位的测量。
当环境参数变化时，这些变化会导致光信号的相位变化。
通过测量光信号相位的变化，可以确定环境参数的变化情况。
总之，光纤传感器利用光的传导性能来实现环境参数的测量和检测。
通过光源产生光信号，光信号经过光纤传输并最终转化为电信号。
根据光信号的强度、频率或相位的变化，可以获得环境参数的变化情况。
光纤传感器具有高可靠性、抗干扰能力强、响应速度快等优点，在各个领域得到广泛应用。
传感器-(光电式)讲课文档
第2章 光电式传感器 10
莫尔条纹
第三十九页，共91页。
第2章 光电式传感器 10
（1）莫尔条纹移动方向与两光栅相对移动方向垂 直。 （2）莫尔条纹有位移的放大作用。
第四十页，共91页。
第2章 光电式传感器 10
第四十一页，共91页。
第2章 光电式传感器 10
光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移，若用光电 器件记录莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的 距离，也就测得了被测物体的位移量。
第四十五页，共91页。
第11、2章什么是光光电纤式传感传器感？器其在11检测液位、温度方面
怎么应用？
第四十六页，共91页。
第2章 光电式传感器 11
光纤传感器
光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元件（也 称作测量臂），直接接收外界的被测量。被测量 可引起光纤的长度、折射率、直径等方面的变化， 从而使得在光纤内传输的光被调制。若将光看成 简谐振动的电磁波，则光可以被调制的参数有四 个，即振幅（强度）、相位、波长和偏振方向。
第八页，共91页。
图8-4
第2章 光电式传感器 4
4、光电二极管、光电三极管的结构？光电特性？
将光敏二极管的
PN 结设置在透明管壳 顶部的正下方，光照 射到光敏二极管的PN 结时，电子-空穴对数 量增加，光电流与照 度成正比。
第九页，共91页。
第2章 光电式传感器 4
光敏二极管 w光敏二极管在电路中的符号如图8-5所示。光敏二极 管的PN结装在透明管壳的顶部，可以直接受到光的 照射。使用时要反向接入电路中，即正极接电源负 极，负极接电源正极。即光敏二极管在电路中处于 反向偏置状态。无光照时，与普通二极管一样，反 向电阻很大，电路中仅有很小的反向饱和漏电流， 称暗电流。
光纤传感器原理及应用技术
光纤传感器原理及应用技术光纤传感器是一种基于光学原理进行测量和检测的传感器，它通过利用光纤的特性，将光信号转换为电信号，实现对被测量物理量的测量。
光纤传感器具有高精度、即时响应、抗干扰能力强等优点，在许多领域得到了广泛的应用。
光纤传感器的原理是基于光的传播和反射原理。
光纤是一种由光纤芯和包覆层组成的细长材料，光信号在光纤芯内由于全反射而传输。
当外部环境发生变化时，比如温度、压力、湿度等物理量发生变化时，会引起光纤芯的折射率发生变化，进而改变光信号传播的特性，通过对光信号的检测和分析，可以得到被测物理量的信息。
1.光纤光栅传感器：光纤光栅传感器是一种利用光纤中的光栅结构实现测量的技术。
当外界物理量作用于光栅上时，光栅的折射率、光栅常数等参数会改变，进而改变光纤中光信号的传播特性。
利用对光信号的分析，可以实现对温度、压力、应变等物理量的测量。
光纤光栅传感器具有高精度、远距离传输、抗干扰能力强等优势，在工业、航空航天、环境监测等领域得到广泛应用。
2.光纤光耦合传感器：光纤光耦合传感器是一种利用光纤与被测物之间的光耦合效应实现测量的技术。
光纤输入端将光源发出的光信号通过总反射等机制输入到被测物上，在被测物上发生反射、散射等光学效应后，再传回到光纤输出端。
通过对光信号的分析，可以得到被测物的信息，如距离、位置、形变等。
光纤光耦合传感器可以实现远距离测量、抗干扰能力强等优点，广泛应用于机械制造、机器人、石油勘探等领域。
3. 光纤陀螺仪：光纤陀螺仪是一种利用光学运动学原理实现姿态变化测量的传感器。
光纤陀螺仪利用光纤中的Sagnac效应，在光纤环结构中通过激光的传播过程实现对旋转加速度和角速度的测量。
光纤陀螺仪具有无惯性元件、高精度、稳定性好等优点，在惯导、导航、航空航天等领域得到广泛应用。
总之，光纤传感器以其高精度、远距离传输、抗干扰能力强等优点，在物理量测量领域得到了广泛的应用。
随着光学技术的不断发展，光纤传感器的性能会不断提升，应用领域也会不断拓展。
光纤传感器原理及应用
光纤传感器原理及应用
光纤传感器的工作原理主要包括干涉、散射、吸收和全反射等几种。
干涉原理是利用光纤的两束光之间的相位差来测量被测量物的物理量，如压力、温度等。
散射原理是通过测量光纤中散射光的强度或频率变化，来检测环境中的温度、压力、形变等物理量。
吸收原理则是利用被测量物的吸收光强度与被测量物的物理量之间的关系来进行测量。
全反射原理则是利用光在光纤中的全反射现象，在光纤的入射接口和出射接口之间进行光的传输及传播。
1.温度测量：光纤传感器可以通过测量光的波长或相位的变化来实现对温度的测量。
由于光纤传感器具有免疫电磁干扰、电气绝缘和高温耐受等特性，因此在高温环境下的温度测量应用中具有很大的优势。
2.压力测量：光纤传感器可以通过测量光纤中的散射光强度或频率变化来实现对压力的测量。
由于光纤传感器具有高灵敏度、高分辨率和长距离传输等特点，因此在工业领域中的压力测量应用中得到广泛应用。
3.拉伸和变形测量：光纤传感器可以通过测量光的相位变化来实现对材料的拉伸和变形的测量。
由于光纤传感器具有高精度、高灵敏度和高可靠性等特性，因此在结构健康监测和材料力学等领域得到广泛应用。
4.气体检测：光纤传感器可以通过测量光的吸收强度与被测气体浓度之间的关系来实现对气体浓度的测量。
由于光纤传感器具有快速响应、高灵敏度和易于集成等特点，因此在环境监测和化学分析等领域得到广泛应用。
总之，光纤传感器具有灵敏度高、稳定性好、反应速度快、抗电磁干扰等优点，具有广泛的应用前景。
随着光纤技术的不断发展和完善，光纤
传感器的应用将越来越广泛，将为现代化的科学研究、工业制造和环境监测等领域带来新的突破和发展。
传感器与检测技术光纤式传感器
11光控定位光纤开关——光纤式传感器的测试项目描述•光纤开关与定尺寸检测装置是利用光纤中光强度的跳变来测出各种移动物体的极端位置，如定尺寸、定位、记数等。
特别是用于小尺寸工件的某些尺寸的检测有其独特的优势。
如图11-1所示，当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。
•通过本项目的学习。
•主要给大家介绍光纤•式传感器（简称光纤•传感器）工作原理及•相关传感器。
知识准备•光纤传感器的结构和原理•（一）光纤• 1. 光纤结构•光纤透明、纤细，虽比头发丝还细，却具有能把光封闭在其中，并沿轴向进行传播的特征。
中心的圆柱体叫作纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫作包层。
纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。
光纤的结构光缆的外形及光纤的拉制各种装饰性光导纤维发光二极管产生多上海东方明珠种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。
在计算机控制下，可产生动态图案。
光纤的类型阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致，称为多模光纤。
梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。
常用光纤类型及参数如表所示。
纤芯直径包层直径 /m m /mm 类型 单模 折射率分布 数孔径 值 2～880～1250.10～0.15 多模阶跃光纤(玻璃)80～200100～2500.1～0.3 多模阶跃光纤(玻璃/塑料)200～1000230～12500.18～0.50 50～100125～1500.1～0.2 多模梯度光纤2．光纤的传输原理•（1）光的折射定律•当光由光密物质(折射率n)入射至光疏物质(折射率n)时12发生折射光的反射、折射当一束光线以一定的入射角θ1从介质1射到介质2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。
光的全反射当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。
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。
3. 光纤压力传感器：光纤压力传感器利用光纤的弯曲效应来测量压力变化。
光纤压力传感器具有高灵敏度、快速响应、广泛测量范围等特点。
4. 光纤温度传感器：光纤温度传感器通过测量光纤的热导率或光纤中热致发光的变化来实现温度测量。
光纤温度传感器具有高分辨率、抗干扰性强等优点。
三、光纤传感器的应用领域光纤传感器具有广泛的应用领域，以下列举其中几个典型的应用。
《光纤传感器 》课件
拉丝工艺
将光纤预制棒加热软化后 ，通过拉丝机拉制成连续 的光纤。
涂覆与保护
在拉制出的光纤表面涂覆 一层保护涂层，以提高光 纤的机械强度和耐腐蚀性 。
光纤传感器的封装工艺
光纤光栅封装
光纤传感器的密封与保护
将光纤光栅粘贴在特定的封装基底上 ，并使用环氧树脂等材料进行固定和 保护。
光纤传感器的应用领域。
光纤传感器的小型化与集成化
总结词
光纤传感器正朝着小型化与集成化的方向发展，以满 足现代科技领域对传感器尺寸和集成度的要求。
详细描述
随着微纳加工技术和光子集成技术的不断发展，光纤 传感器的小型化与集成化成为可能。小型化的光纤传 感器具有更小的体积和更高的可靠性，集成化的光纤 传感器则能够实现多个传感功能的集成，提高系统的 集成度和智能化程度。
光纤传感器的优点与局限性
优点
高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可 在恶劣环境下工作、可远程测量等。
局限性
对温度、压力、位移等物理量的测量 可能会受到其他因素的干扰，如弯曲 、振动等；同时，光纤传感器成本较 高，限制了其在某些领域的应用。
03
CHAPTER
光纤传感器的制造工艺
光纤的制备
01
02
03
预制棒制备
光纤传感器
目录
CONTENTS
• 光纤传感器概述 • 光纤传感器的技术原理 • 光纤传感器的制造工艺 • 光纤传感器在各领域的应用 • 光纤传感器的发展趋势与挑战 • 案例分析：光纤传感器在石油工业中的应用
01
CHAPTER
光纤传感器概述
定义与工作原理
定义
光纤传感器是一种利用光纤作为敏感元件的传感器，能够检 测和测量物理量（如温度、压力、位移等）的变化。
(完整版)现代传感技术与系统课后答案
现代传感技术与系统课后答案第1章绪论1.传感器的基本概念是什么？一般情况下由哪几部分组成？国家标准（GB7665-87）传感器的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
2.传感器有几种分类形式，各种分类之间有什么不同？共有10种分类形式。
根据传感器的工作机理：基于物理效应、基于化学效应、基于生物效应；传感器的构成原理：结构型与物性型；能量转换情况：能量转换型和能量控制型；根据传感器的工作原理分类：可分为电容式、电感式、电磁式、压电式、热电式、气电式、应变式等；根据传感器使用的敏感材料分类：可分为半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器、高分子材料传感器、复合材料传感器等；根据传感器输出信号为模拟信号或数字信号：可分为模拟量传感器和数字量（开关量）传感器；根据传感器使用电源与否：可分为有源传感器和无源传感器；根据传感器与被测对象的空间关系：可分为接触式传感器和非接触式传感器；根据与某种高新技术结合而得名的传感器：如集成传感器、智能传感器、机器人传感器、仿生传感器等；根据输入信息分类：可分为位移、速度、加速度、流速、力、压力、振动、温度、湿度、粘度、浓度等。
3.举例说明结构型传感器与物性型传感器的区别。
结构型：利用物理学中场的定律构成的，特点是其工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。
其基本特征是以其结构的部分变化或变化后引起场的变化来反映被测量（力、位移等）的变化。
如电容传感器利用静电场定律研制的结构型传感器。
物性型：利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等。
物质定律是表示物质某种客观性质的法则。
这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。
这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。
因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。
如，光电管利用了外光电效应，压敏传感器是利用半导体的压阻效应。
4.传感器与传感技术概念有什么不同？答：传感器是获取信息的工具。
光纤式传感器讲解
光电传感器 二、光纤传感器
第一节
光电效应及光电元件
1 光纤传感器结构原理
光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。
由光发送器、敏感元件（光纤或非光纤的）、光接收器、信号处 理系统以及光纤构成。
由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一
性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使 光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。
光电传感器
第一节
光电效应及光电元件
光纤传感器
光电传感器
第一节
光电效应及光电元件
光导纤维传感器（简称光纤传感器）是20世纪七十年代迅速发 展起来的一种新型传感器。光纤最早用于通讯，随着光纤技术的
发展，光纤传感器得到进一步发展。
与其它传感相比较，光纤传感器有如下特点： 1)不受电磁干扰。光纤主要由电绝缘材料做成，工作时利用光子 传输信息，因而不怕电磁干扰；此外光波易于屏蔽，外界光的干 扰也很难进入光纤。
n1
)
光电传感器 二、光纤传感器
第一节
光电效应及光电元件
3 光强度调制型
光纤弯曲
原来光束以大于临界角的角度在纤芯中传播为全内反射，但在 弯曲处，光束以小于临界角的角度入射到界面。部分光逸出散 射到包层。 这种检测原理可以实现对力、位移和压强等物理量的测量
光电传感器 二、光纤传感器
第一节
光电效应及光电元件
2)可根据需要做成各种形状，可以弯曲； 可渗入机器内部或人
体弯曲的内脏等常规传感器不宜到达的部位进行探测 3)光纤传感器与信号传输于一体，利用它很容易构成分布式传感
测量。
光电传感器
第一节
光电效应及光电元件
光纤感应器工作原理
光纤感应器工作原理首先，光纤传输特性是光纤感应器工作的基础。
光纤是一种非常细长的光导纤维，基本上由两个重要的部分组成：光核和包层。
光核是光纤中心的一个非常细小的玻璃或塑料芯棒，是光线传输的主要路径。
包层是光核的外部，是一种具有较低折射率的材料，可以将光束有效地限制在光核中心。
光纤的直径通常在几微米到几十微米之间。
其次，光纤感应器的工作基于光的反射、折射和散射的原理。
通过改变光的入射角度、入射位置或光纤的结构，可以实现不同类型的感应器。
其中，反射式光纤感应器是最常见的一种类型。
它的原理是利用光束在光纤的末端与外界的接触面上发生反射，通过检测反射光的强度或相位的变化来实现测量。
光纤光源是光纤感应器的另一个重要组成部分。
光纤光源通常使用激光二极管或LED作为光源，它们通过光纤向光纤传输光信号。
激光二极管在工作时会产生一个高度集中的光束，而LED产生的光束则相对宽散。
光纤光源的选择取决于具体应用需求，如测量精度和距离要求。
最后，光电检测器是将光信号转换为电信号的关键部分。
光电检测器可以将光束接收并转换为电流或电压输出。
常见的光电检测器包括光电二极管（Photodiode）和光电倍增管（Photomultiplier Tube）。
光电倍增管是一种能够放大微弱光信号的器件，适用于低光强测量。
而光电二极管则是一种常用的光电检测器，它具有快速响应、高灵敏度等特点。
信号处理电路用于接收和处理光电检测器输出的电信号。
它可以实现信号放大、滤波、调制、解调等功能，以获得所需的测量结果。
信号处理电路通常由运算放大器、滤波器、模数转换器等组成，具体结构和功能取决于具体的应用需求。
综上所述，光纤感应器的工作原理是通过光纤的传输特性、光的反射、折射、散射等光学现象以及光电转换的原理来实现测量。
光纤感应器在工业、医疗、交通、航空航天等领域广泛应用，例如温度、压力、位移、湿度、浓度等的测量和监控。
光纤式传感器工作原理
光纤式传感器工作原理
光纤式传感器是通过传感光纤将被测物理量（如温度、压力、湿度、光强等）转换为光信号，再经光学系统进行处理后输出的一种传感器。
这种传感器具有体积小、重量轻、不受电磁干扰、抗电磁干扰能力强等优点，可以对被测物理量进行远距离测量。
（1）干涉型光纤传感器。
当光纤中的光被反射或透射时，
会在光纤中产生干涉或衍射现象。
根据干涉原理，可将这种光信号转换为与之相对应的电信号，从而实现对被测物理量的测量。
（2）分布式光纤传感系统。
该系统由多个独立的光传感器
组成，各传感器都能独立地检测出被测物理量，并把它们送到一个计算机网络上进行信息交换。
当一个传感器受到破坏或故障时，其他传感器可以自动地检测出其故障并将其隔离开来，使整个系统仍然能够正常工作。
光纤式传感器具有以下特点：
（1）测量范围宽：可达10^8m/s~10^9m/s。
（2）可实现高精度测量：在-40~+80℃的温度范围内测量精度达到0.1℃。
—— 1 —1 —。
光纤传感器的工作原理
光纤传感器的工作原理光纤传感器是一种利用光纤作为传感元件的传感器，广泛应用于各个领域，包括工业、医疗、环境监测等。
它通过利用光的传输特性来实现对环境信息的感知和测量。
本文将详细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在光纤中的传输特性，通过测量光的强度、相位、频率等参数的变化来实现对被测量物理量的测量。
光纤传感器通常由光源、光纤、光电转换器和信号处理电路等组成。
在光纤传感器中，光源产生一束光经过光纤传输到被测量物体，光纤作为传输媒介将光信号传递到光电转换器中。
光电转换器将光信号转换为电信号，并经过信号处理电路进行放大和处理，最终输出被测量物理量的相关信息。
光纤传感器的主要特点是能够远距离传输光信号、干扰抗性强、可靠性高、体积小等。
这使得光纤传感器在很多特殊环境下的应用具有优势，例如高温、高压、电磁干扰较强的场合。
二、光纤传感器的类型及工作原理1. 光纤光栅传感器光纤光栅传感器利用光纤中的光栅结构，通过测量光的干涉效应实现对物理量的测量。
光纤光栅传感器的工作原理是在光纤中沿纤芯或包层中周期性改变折射率，形成一个光栅。
当光信号通过光栅时，会发生反射、散射和折射等现象，波长和相位发生变化。
通过测量这些变化就可以得到与物理量相关的信息。
2. 光纤拉曼散射传感器光纤拉曼散射传感器利用光纤中的拉曼散射效应，通过测量光信号的拉曼散射光谱实现对物理量的测量。
当光信号经过光纤时，会与光纤中的分子或晶格发生相互作用，产生拉曼散射。
根据散射光谱的强度变化，可以推测出被测量物理量的值。
3. 光纤干涉传感器光纤干涉传感器利用光的干涉效应来测量物理量。
光纤干涉传感器的基本原理是将一束光信号按照不同路径传输到光电转换器中，通过测量光束的干涉现象来确定被测量物理量的信息。
常见的光纤干涉传感器有Michelson干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪等。
三、光纤传感器的应用光纤传感器具有广泛的应用前景，在各个领域都有重要的应用。
第2章4光纤式传感器
（一）光导纤维（光纤）的结构：
光导纤维是一种传输光信号的导光纤维，它 由石英、玻璃或塑料制成，由导光的纤芯及包层 组成。
(二)光导纤维的工作原理
回忆
光纤工作的基础是光的全内反射。从光密媒介 （n1）射入光疏媒介（n2）时，有反射和折射， 由斯乃尔定律（法则），
n1 sin 1 n2 sin 2
二、光纤传感器
它具有“传”和“感”的两种功能。 按工作原理分为两类； 一类是利用光纤本身具有的某种敏感功能，称为 功能型（FF型，Functional Fiber）也称传 感型。 另一类是光纤仅仅起传输光波作用，必须在光纤 端面加装其它敏感元件才能构成传感器的非功 能型（NFF型，Non Functional Fiber）也 称传光型。
光敏元件
测得信息
输出
被测对象
光导纤维 光敏元件 测得信息
敏感元件
+
发光元件
光纤位移传感器应用： NFF型
液位的检测技术
光由光纤的一端导入,在球状 对折端部一部分光透射出去, 而另一部分光反射回来,由光 LED 纤的另一端导向探测器 。反 射光强的大小取决于被测介 质的折射率。被测介质的折 PD 射率与光纤折射率越接近,反 射光强度越小。显然,传感器 处于空气中时比处于液体中 时的反射光强要大。因此,该 传感器可用于液位报警 。若 以探头在空气中时的反射光 强度为基准，则当接触水时 反射光强变化–6dB～–7dB,接 触油时变化–25dB～–30dB。
光纤感应器工作原理
光纤感应器工作原理
光纤感应器是一种利用光学原理来检测物理量的传感器。
它的工作原理是利用光纤的传输特性，将光信号传输到被测物体上，通过测量光信号的变化来检测被测物体的物理量。
光纤感应器的核心部件是光纤，它是一种非常细的光导纤维，可以将光信号传输到很远的地方。
光纤感应器通常由光源、光纤、光电转换器和信号处理器等部件组成。
光源发出的光信号经过光纤传输到被测物体上，被测物体的物理量会引起光信号的变化，这些变化会通过光纤传回到光电转换器，转换成电信号后再经过信号处理器进行处理和分析。
光纤感应器的应用非常广泛，可以用于测量温度、压力、应变、振动等物理量。
例如，在工业生产中，光纤感应器可以用于监测机器的运行状态，及时发现故障并进行维修；在医疗领域，光纤感应器可以用于监测患者的生命体征，提高医疗质量和效率。
光纤感应器具有很多优点，例如高精度、高灵敏度、抗干扰能力强、体积小、重量轻等。
同时，它也存在一些缺点，例如成本较高、安装和维护难度较大等。
因此，在选择光纤感应器时，需要根据具体的应用场景和需求进行综合考虑。
光纤感应器是一种非常重要的传感器，它的工作原理基于光学原理，可以用于测量各种物理量。
随着科技的不断发展，光纤感应器的应
用前景将会越来越广阔。
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光导纤维是一种传输光信号的导光纤维，它 由石英、玻璃或塑料制成，由导光的纤芯及包层 组成。
(二)光导纤维的工作原理
回忆
光纤工作的基础是光的全内反射。从光密媒介 （n1）射入光疏媒介（n2）时，有反射和折射， 由斯乃尔定律（法则），
n1 sin 1 n2 sin 2
率，就能测得引起
微弯的压力、声压， n0 或检测由压力引起 的位移等物理量。
θ θ1
θ3 θ2
n2 n1
小结
光纤传感器的基本原理着重掌握数值孔 径的概念（物理意义、对光纤的性能影 响、计算）
休息一下
（一）FF型光纤传感器
光纤既传光，又是敏感元件，它是靠被测 物理量调制或影响光纤特性，把被测物理量 的变化转变为调制的光信号。
光发送器
光纤敏感元件
信号处理 光接收器
（二）NFF型光纤传感器
被测对象
输入
光源 敏感元件
NFF 型中，光纤只 “传”不“感”。 对外界信息的“感 觉”功能依靠其他 物理性质的功能元 件完成。
入射面 入射光 分界面
法线
i1 i1
i2
反射光
i1 i1
n1 n2
折射光
符号相反说明入射光线和反射光线分居法线两侧。
光的折射定律 （1）折射光线位于由入射 光线和法线所决定的平面 内，折射光线和入射光线 介质2 分居法线两侧。
（2）折射定律：
i2 i1
n1sini1 n2sini2
生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤
芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中.
原来光束以大于临界角θ 的角度θ1在纤芯内传输为 全反射；但在微弯处θ2<θ1，一部分光将逸出，散 射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度也增
大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输出的光
强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功
定义 na sini0 为光纤的数值孔径
i0 越大，可以进入光纤的光能就越多，也就是
光纤能够传送的光能越多，这意味着光信号越容 易耦合入光纤。光导纤维的数值孔径反映集光本 领，是导光传象的重要性能参数之一。
光纤导光能力主要取决于纤芯折射率n1和包 层的折射率n2 （n1 > n2 ） ，它们的相对折射率 差 =1-n2/n1，一般为0.005~0.14。
二、光纤传感器
它具有“传”和“感”的两种功能。 按工作原理分为两类； 一类是利用光纤本身具有的某种敏感功能，称为 功能型（FF型，Functional Fiber）也称传 感型。 另一类是光纤仅仅起传输光波作用，必须在光纤 端面加装其它敏感元件才能构成传感器的非功 能型（NFF型，Non Functional Fiber）也 称传光型。
光纤式传感器
光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元件 （也称作测量臂），直接接收外界的被测量。被 测量可引起光纤的长度、折射率、直径等方面的 变化，从而使得在光纤内传输的光被调制。若将 光看成简谐振动的电磁波，则光可以被调制的参 数有四个，即振幅（强度）、相位、波长和偏振 方向。
一、光纤传感器的基本知识
光敏元件
测得信息
输出
被测对象
光导纤维 光敏元件 测得信息
敏感元件
+
发光元件
光纤位移传感器应用： NFF型
液位的检测技术
光由光纤的一端导入,在球状 对折端部一部分光透射出去, 而另一部分光反射回来,由光 LED 纤的另一端导向探测器 。反 射光强的大小取决于被测介 质的折射率。被测介质的折 PD 射率与光纤折射率越接近,反 射光强度越小。显然,传感器 处于空气中时比处于液体中 时的反射光强要大。因此,该 传感器可用于液位报警 。若 以探头在空气中时的反射光 强度为基准，则当接触水时 反射光强变化–6dB～–7dB,接 触油时变化–25dB～–30dB。
由公式 n1 sin i1 n2 sini 2，当
n1 n2 时： i1 i 2
此时折射光线较入射光线偏离法线
sin I m
n2 n1
全反射的两个条件：
（1）光密到光疏介质；
（2）入射角大于临界角； 全反射的应用： （1）制成各种全反射棱镜，用于折转光路， 代替平面反射镜。 （2）制造光导纤维。
1
2
(a)探头结构
空气
液体 (b) )检测原理
遮光式光纤温度计
当温度升高时，双金属片的变形量增大， 带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光 强发生变化。
光纤开关与定尺寸检测装置
光纤开关与定尺寸检测装置是利用光纤中光强度的跳变来测出各 种移动物体的极端位置，如定尺寸、定位、记数等。特别是用于 小尺寸工件的某些尺寸的检测有其独特的优势。 电路板标志检测 传输光纤 光纤 耦合器 出射光纤
介质1
像
物 即
I
n n’
I’
I
n n’
I’
I
n n’
I’
n<n’, I>I’
n=n’, I=I’
n>n’, I<I’
结论: 光在介质中传播时,有偏向 折射率较高一侧的趋势 根据上述定性结论,可以对渐 变介质中光波传播作定性的分析
全反射现象
一般情况下，光线射至透明介质的分界面时 将发生反射和折射现象。
光的全反射实验
发光二 极管产生多 种颜色的光 线，通过光 导纤维传导 到东方明珠 球体的表面。 在计算机控 制下，可产 生动态图案。
上海东方明珠
光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世 纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新 型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产 物，它同时具有光纤及光学测量的特点。 与常规的传感器相比有： 1）抗电磁干扰能力强 2）灵敏度高 3）重量轻，体积小 4）适用于遥测 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液 位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电 压、磁场等物理量
光导纤维：当光照射光纤的端面时，光纤端面 的临界入射角i0称为光纤的孔径角。2i0的大小 表示光纤能接收光的范围。 2i0越大，入射端面 接收光的范围越大，进入纤芯部分的光线越多， 若入射角超出这个范围，进入光纤的光线便会 进入包层而损失。
n'
B
i'0
na
i0
S A
n
i '0
2
练习1：
i 0 符合什么条件时 发生全反射现象？
标志孔 当光纤发出的光 穿过标志孔时，若无 反射，说明电路板方 向放置正确。
采用遮断型 光纤光电开关 对 IC 芯 片 引 脚进行检测
例 微弯光纤压力传感器
光纤被夹在一对锯 齿板中间，当光纤 不受力时，光线从 光纤中穿过，没有 能量损失。当锯齿 板受外力作用而产
光纤 S d F
变形器
F
D
微弯光纤压力传感器
n'
na
i0
n
i '0
B
i '0
2
A
当
S
2 根据折射定律，又有：na sini0 n sini'0
i'0 大于临界角时，就发生全发射。
1 可以得到：i0 arcsin( na
n n' )
2 2
当入射角 i i0 时，可以全反射传送
当 i i0 时，光线将会透过内壁进入包层
2
2 1, n2 n1
折射光
折射率n2 折射率n1 入射光 1<C
(a) 1
2 =90°
1 0 1 0
1=C
反射光
1>C
全反射光
(b)
(c)
光的反射和折射定律研究光传播到两种均 匀介质的分界面时的定律。 反射定律
（1）反射光线在由入射光 线和法线所决定的平面内 （2）入射角 i1和反射角 i1' 的绝对值相同，表示为：