相位调制型光纤传感器应用实例
光纤传感器实验
实验5—5 光纤传感器实验人类进人21世纪，信息传递的方式也在悄然改变。
从两根电线传输一路电话到一根光纤传输几十、几百路电话，从海底电缆到欧亚光缆，光纤传递光信息的优点是显而易见的。
光在光纤中不断地被全反射传输，免受大气的干扰、散射，衰减大大减少，从而实现上百公里的远距离传输而不需要中间放大器。
光纤在信息传输中的应用已为人们所熟知，但将光纤用作传感器却了解不多，该实验将介绍反射式光纤位移传感器，增强对光纤传感器的了解。
光纤传感器是一种新型传感器，随着其技术的日益发展，应用越来越广泛。
光纤传感器的机理是外界物理量的变化导致光纤参数的相应改变，例如应力或温度变化时，会引起光纤长度和折射率的变化，从而形成光纤应变或温度传感器。
光纤传感器具有许多优点：重量轻、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；耐高温、耐化学腐蚀、耐水性好，还能高速率和大容量传输测得的信息，便于测试自动化和远距离传输；光纤传感器可以用于高压、电气、噪音、高温、腐蚀或其他的恶劣环境，并可实现非破坏和非接触测量，而且具有与光纤遥感技术的内在相容性。
目前，正在研制中的光纤传感器有磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和压变等类型的光纤传感器。
【实验目的】1.了解光纤、光纤传感器的基本概念。
2.了解反射式光纤位移传感器的基本原理。
3.测量并绘出输出电压与位移特性曲线。
4.了解利用反射式光纤位移传感器测量转盘转速和振动频率的工作原理。
【实验原理】Array1.光纤的基本知识1)光纤的基本结构光纤（Optic Fiber）是光导纤维的简称，一般由纤芯、包层、涂敷层与护套构成，是一种多层介质结构的对称性柱体光学纤维。
光纤的一般结构如图5-5-1所示。
纤芯和包层为光纤结构的主体，对光波的传播起着决定性作用，其中纤芯是光密媒质，包层是光疏媒质。
涂敷层与护套则主要用于隔离杂散光，提高光纤强度，保护光纤。
光纤传感实验报告（最终5篇）
光纤传感实验报告（最终5篇）第一篇：光纤传感实验报告光纤传感实验报告１、基础理论 1 1、1 1 光纤光栅温度传感器原理1、１、1 光纤光栅温度传感原理光纤光栅得反射或者透射峰得波长与光栅得折射率调制周期以及纤芯折射率有关,而外界温度得变化会影响光纤光栅得折射率调制周期与纤芯折射率，从而引起光纤光栅得反射或透射峰波长得变化,这就是光纤光栅温度传感器得基本工作原理.光纤 Bragg 光栅传感就是通过对在光纤内部写入得光栅反射或透射 Br ａｇg 波长光谱得检测，实现被测结构得应变与温度得绝对测量。
由耦合模理论可知，光纤光栅得 Bragｇ中心波长为式中Λ为光栅得周期;nｅff 为纤芯得有效折射率。
外界温度对 Bｒａgg 波长得影响就是由热膨胀效应与热光效应引起得。
由公式(1）可知,Bｒagg 波长就是随与而改变得。
当光栅所处得外界环境发生变化时,可能导致光纤光栅本身得温度发生变化。
由于光纤材料得热光效应，光栅得折射率会发生变化;由于热胀冷缩效应，光栅得周期也会发生变化，从而引起与得变化，最终导致 Brａｇg 光栅波长得漂移。
只考虑温度对 Bragｇ波长得影响，在忽略波导效应得条件下,光纤光栅得温度灵敏度为式中Ｆ为折射率温度系数;α 为光纤得线性热膨胀系数；p１1 与p12 为光弹常数。
由式（2)可知光纤光栅受到应变作用或当周围温度改变时，会使 n eｆf 与发生变化,从而引起Ｂｒａgg 波长得移动。
通过测量Ｂrａｇg 波长得移动量,即可实现对外部温度或应变量得测量。
1、1、2 光纤光栅温度传感器得封装为满足实际应用得要求,在设计光纤光栅温度传感器得封装方法时，要考虑以下因素:(1)封装后得传感器要具备良好得重复性与线性度;(2）必须给光纤光栅提供足够得保护,确保封装结构要有足够得强度;(3）封装结构必须具备良好得稳定性,以满足长期使用得要求。
为了能够有效起到增敏作用一般采用合金、钢、铜、铝等热膨胀系数大得材料对光纤光栅进行封装。
第3章 相位调制型光纤传感器
相位调制型
5.3 特点
信 号 Is t 出 射 光 波
入 射 光 波
相位调制区
参考信道
特点：
干涉测量灵敏度高 直接测量物理量：应力（压力10-7Pa）、应变（10-7）、
温度（10-8℃） 、电磁场 多参量同时测量、灵活 需要特殊光纤－单模、保偏、增敏、去敏
相位调制型
相位调制型
2
当A1=A2时，K=1； 而A1与A2相差 越多，K值越小
相位调制型
*相干条件（产生干涉的条件）
在观察时间内，许多波列都通过P点 原子前后发出的两列光波相互独立
没
有固定的位相关系a 2a a cos )d I Id (a 两个发光原子同时发出的波列形成的干涉 a a 2a a / cos d 图样只能在极短的时间内存在 如果各时刻到达的波列的位相差δ无规则变化，则 接收器只能记录到强度的平均值 1 2 2 cos d 0 I a a I I
原理：2个干涉仪构成
FPPI LED
耦合器 LD AB 耦合器 信号处理
PD
C A’ B’ Michelson干涉仪
相位调制型
5.3.2 光纤干涉仪6－白光干涉
白光干涉的优点与问题
优点：
绝对测量 抗干扰能力强－系统分辨率与光源稳定性、光纤扰动 等无关
问题：低相干度光源的获得、零级干涉条纹的检
相位调制型
光纤传感器
Fiber Optic Sensors
Lecture 3
相位调制型
光纤传感器的分类
入射光波 出射光波
入射光波的特征参量：相位
功能型
光纤传感技术课件：偏振态调制型光纤传感器
偏振态调制型光纤传感器
这样， 为了获得大的法拉第效应， 可以将放在磁场中的 法拉第材料做成平行六面体， 使通光面对光线方向稍偏离垂 直位置， 并将两面镀高反射膜， 只留入射和出射窗口。 若光 束在其间反射N次后出射， 那么有效旋光厚度为Nl， 偏振面的 旋转角度就提高N倍。 法拉第效应是偏振调制器的基础， 利 用法拉第效应可制作光纤电流传感器。
偏振态调制型光纤传感器
偏振态调制型光纤传感器
6.1 偏振态调制型传感原理 6.2 偏振态调制光纤传感器应用实例
1
偏振态调制型光纤传感器
6.1
偏振态调制型光纤传感器是有较高灵敏度的检测装置。 它比高灵敏度的相位调制光纤传感器的结构简单且调整方便。 偏振态调制型光纤传感器通常基于电光、 磁光和弹光效应， 通过敏感外界电磁场对光纤中传输的光波的偏振态的调制来检 测被测电磁场参量。 最为典型的偏振态调制效应有Pockels效 应、 Kerr效应、 Faraday效应， 以及弹光效应（原理介绍详见 第一章1.3.4节）。
此时， 检偏镜的透射光强度 I 与起偏镜的入射光强度I0 之间的关系可由下式表示：
(6.1-11)
16
式中， 半波电压Uλ/2可表示为
偏振态调制型光纤传感器
(6.1-12)
利用克尔效应可以构成电场、 电压传感器， 其结构类 似于图6-1。
17
偏振态调制型光纤传感器
6.1.4 Faraday
物质在磁场的作用下使通过的平面偏振光的偏振方向发 生旋转， 这种现象称为磁致旋光效应或法拉第(Faraday)效应。
9
偏振态调制型光纤传感器
10
偏振态调制型光纤传感器
6.1.3 Kerr
Kerr效应也称为二次（或平方）电光效应， 它发生在一
学习情境四：相位调制型光纤传感器及其应用.doc.ppt
传感器再经过光纤延迟线，然后进入耦合器，形成
逆时针方向光束。两束光在Sagnac光纤环内传输一
圈再经过耦合器进入
光电探测器。光电探测器探测到的这两束光干涉后
的光强为
I
1 2
I0 1
cos(1
2 )
(4-8)
光电子技术专业-国家重点建设示范性专业
光纤传感器及应用
式中：
I0----激光器发出的光注入到第一个耦合器的光强
器中，用单模光纤制成Fabry-Perot腔，即在光纤抛 光端面镀以高反射率的反射膜，如果镀一层反射膜 就构成双光束的Fabry-Perot腔。为了提高精度一般 镀以多层介质反射膜，构成多光束干涉腔，形成多 光束干涉，如图4-6所示。
光电子技术专业-国家重点建设示范性专业
光纤传感器及应用
i: 0 2 Iin Iout 纤芯
∆Φ 1----顺时针方向光束和逆时针方向光束在Sagnac 光纤环内传输一圈产生的静态相位差
∆Φ 2----声信号作用的区域内，顺时针方向光束和逆 时针方向光束产生的相位差
通过相位调制和偏振控制可以使静态相位差∆Φ 1＝ /2，这样传感器的灵敏度最大，则(4-8)变为
I
1 2
I 0 1 sin(2 )
光电子技术专业-国家重点建设示范性专业
光纤传感器及应用
二、学习内容 4.1相位调制型光纤传感器的原理
相位调制光纤传感器（通常也叫干涉型光纤传感 器）的基本原理是：被测量的物理量使得光纤内传 输光的相位φ =k0nL发生变化，再用干涉测量技术把 相位变化转换成光强度变化，光电探测器把光强变 化转换成电压或电流变化，进而实现检测被测物理 量的目的。相位调制光纤传感器主要是干涉式光纤 传感器，其特点为：
光纤传感器的应用举例
水管 重物
d
h
l
3 光纤流量、流速传感器
当每个漩涡产生并泻下时，它会在光纤上产生一 种侧向力，这样就有一个周期力作用在光纤上，使其 振动。野外的电线等在风吹动下会嗡嗡作响，就是这 种现象。实验证明，光纤振动的频率由下式得出
f s / d (8.23)
式中，为流速；d为光纤直径；s为斯特罗哈数(无量
1
反2 射 AA 3
CC
光 MM
4
强 BB
DD
段，偏置工作点在M，被 测物体的反射面与光纤端 面之间的初始距离是M点
所对应的距离XM。由曲线
可知，随位移增加光强增
X MM
位移
加，反之则光强减少，故
1—随机分布；2—对半分布；
3—同轴分布；4—同轴分布 由此可确定位移方向。
2 光纤位移传感器
光纤位移传感器一般用来测量小位移。最 小 能 检 测 零 点 几 mm 的 位 移 量 。 这 种 传 感 器 已 在镀层不平度、零件椭圆度、锥度、偏斜度等 测量中得到应用，它还可用来测量微弱振动， 而且是非接触测量。
ff1
fDf f1+Df
3 光纤流量、流速传感器
典型的光纤血流传感器可在0～1000 cm/s速度 范围内使用，空间分辨率为100 mm，时间分辨率为 8 ms。光纤血流传感器的缺点是光纤插入血管中会 干扰血液流动，另外背向散射光非常微弱，在设计 信号检测电路时必须考虑。
4 光纤磁传感器
按工作原理可分为：①根据法拉第磁光效应直 接实现磁光转换，②根据磁致伸缩效应，利用力或 其他物理量间接实现磁光转换。 1.利用法拉第磁光效应的光纤传感器
4 光纤磁传感器
设无磁场时出射光的偏振轴与棱镜的偏振轴夹 角为45 ，这样D1和D2光电管接收的光强为
相位调制型光纤传感器课件
04
相位调制型光纤传感器的优点 与局限性
优点
抗电磁干扰
高灵敏度
相位调制型光纤传感器利用光的干涉原理 ，不受电磁干扰的影响，适合在强磁场、 高电压等恶劣环境下工作。
由于相位调制型光纤传感器利用光的干涉 效应，其灵敏度较高，能够检测微小的变 化。
结构简单
传输距离远
相位调制型光纤传感器结构简单，易于集 成和实现小型化。
相位调制型光纤传感器课件
目录
• 相位调制型光纤传感器概述 • 相位调制型光纤传感器的基本原理 • 相位调制型光纤传感器的调制方式 • 相位调制型光纤传感器的优点与局限性 • 相位调制型光纤传感器的应用实例 • 相位调制型光纤传感器的发展趋势与展望
01
相位调制型光纤传感器概述
定义与工作原理
定义
相位调制型光纤传感器是一种利用光纤干涉原理，通过相位 变化检测外界物理量（如温度、压力、振动等）的传感器。
优点
高灵敏度、抗干扰能力强、可在恶劣环境下工作。
03
挑战
对温度、振动等其他环境因素较为敏感，需要进行误差补偿和校准。
温度传感
温度传感
相位调制型光纤传感器能够通过 测量光纤中光的相位变化，实现 对温度的精确测量。这种传感器 在电力、能源、环保等领域有广
泛应用。
优点
高精度、响应速度快、稳定性好 。
挑战
容易受到其他环境因素的影响， 如压力、湿度等，需要进行误差
校正。
折射率传感
折射率传感
相位调制型光纤传感器能够通过测量折射率变化对光纤相 位的影响，实现对折射率的精确测量。这种传感器在生物 医学、化学分析等领域有广泛应用。
优点
高灵敏度、分辨率高、响应速度快。
光纤传感器及其应用技术
和民用两大应用领域， 其中包括： 国土安全防卫系统、 大型构件的健康诊断系统、 电力工业的 安全检测系统以及用于石油化工、 生物医学和环境等领域的光纤检测系统。 我国虽然早已 园世纪 苑 园年代末期开始了光纤传感技术的研究工作 ， 于圆 但是由于受到制造工艺、 器件和配 园年， 套电子技术的制约， 一直未能进入大规模工程应用阶段。 直到最近 员 随着光纤技术的
光纤传感器及其应用技术
黎敏 摇 廖延彪 摇 编著
武汉大学出版社
内 容 简 介
作为现代传感技术的重要分支，光纤传感技术在许多领域具有替代传统传感器、 弥补 传感领域空白的先天优势。本教材以光纤传感器为核心，着重详细讨论了强度调制型、 相 位调制型、 波长调制型和偏振态调制型四大类型传感器以及分布式光纤传感器的原理 、 技术 — —网络技术和封装技术； 和设计方法； 有选择地介绍了光纤传感的两项核心技术 — 首次将光 — —聚合物光纤传感器、 纤传感最新研究方向新材料光纤传感器 — 光子晶体光纤传感器以及 微米和纳米光电传感器纳入教材。 教材内容覆盖了光纤传感领域的方方面面 ，特别是对传感器的讨论细致、 深入，并列 举了大量的应用设计实例。由于有教学科研的相辅相长，对学科最新技术和进展的介绍全 面、 贴近工程应用实际。可作为电子信息类相关专业的教材，同时对相关领域的科研及实 际工作者了解学科的前沿动态、 启发创新思维有较高的参考价值 。
摇摇员 援 源 援 缘 摇光调制器 ………………………………………………………………………… 源 猿 摇摇员 援 缘 援 员 摇光纤传感器的定义和分类 ……………………………………………………… 源 苑 摇摇员 援 缘 援 圆 摇光纤传感器的特点 ……………………………………………………………… 源 愿 摇习题与思考 ………………………………………………………………………………… 源 愿 园 第 圆章摇强度调制型光纤传感器 …………………………………………………………… 缘 摇圆 援 员 摇摇强度调制传感原理 ………………………………………………………………… 缘 园 摇员 援 缘 摇摇光纤传感器的定义、 苑 分类及特点 ………………………………………………… 源
光纤光栅传感器的工作原理和应用实例
光纤光栅传感器的工作原理和应用实例一、本文概述光纤光栅传感器作为一种先进的光学传感器，近年来在多个领域中都得到了广泛的应用。
本文旨在全面介绍光纤光栅传感器的工作原理及其在各领域中的应用实例。
我们将详细阐述光纤光栅传感器的基本原理，包括其结构、光学特性以及如何实现传感功能。
接着，我们将通过一系列应用实例，展示光纤光栅传感器在结构健康监测、温度测量、压力传感以及安全防护等领域的实际应用。
通过本文的阅读，读者将能够对光纤光栅传感器有一个全面深入的了解，并理解其在现代科技中的重要地位。
二、光纤光栅传感器的基本概念和原理光纤光栅传感器，也被称为光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器，是一种基于光纤光栅技术的传感元件。
其基本概念源于光纤中的光栅效应，即当光在光纤中传播时，遇到周期性折射率变化的结构（即光栅），会发生特定波长的反射或透射。
光纤光栅传感器的工作原理基于光纤中的光栅对光的反射作用。
在制造过程中，通过在光纤芯部形成周期性的折射率变化，即形成光栅，当入射光满足布拉格条件时，即入射光的波长等于光栅周期的两倍与光纤有效折射率的乘积时，该波长的光将被反射回来。
当外界环境（如温度、压力、应变等）发生变化时，光纤光栅的周期或折射率会发生变化，从而改变反射光的波长，通过对这些波长变化的检测和分析，就可以实现对环境参数的测量。
光纤光栅传感器具有许多独特的优点，如抗电磁干扰、灵敏度高、测量范围大、响应速度快、能够实现分布式测量等。
这使得它在许多领域，如结构健康监测、航空航天、石油化工、环境监测、医疗设备、智能交通等，都有广泛的应用前景。
光纤光栅传感器的工作原理决定了其可以通过测量光栅反射光的波长变化来感知外界环境的变化。
因此，在实际应用中，通常需要将光纤光栅传感器与光谱分析仪、解调器等设备配合使用，以实现对环境参数的精确测量。
光纤光栅传感器的基本概念和原理为其在各种应用场景中的广泛应用提供了坚实的基础。
光纤传感器
该传感器将两个多模光纤的尾部用一个套子排列以使其精确地 面对面。一层薄的横膈膜因被测压力而造成变形，与横膈膜为 一整体的薄刀片插在两光纤的间隙之间。 根据8-6的数据，可以计算出通过传感器后光能的衰减 A=Pout/Pin 正比于Iph=σPout ，Iph 为位于光纤出射端的光电二极管产生的电流， σ为光电二极管的光谱灵敏度。 若输入功率和σ都是常数，那么Iph 就能很好的反映出损耗A。实际上， 这两个值都随温度计老化过程而变化。
0 E10 E0 cos , E2 E0 (900 ) E0 sin 0 I10 E02 cos 2 , I 2 E02 sin 2 0 I10 I 2 S 0 cos 2 0 I1 I 2 0
图8-17所示的功能可以用图8-18所示的全光纤技术来实现。 用一个普通的耦合器C（对偏振态不敏感）作为输出信号的 主要分束器，而偏振分束器PS作为格兰棱镜的全光纤形式。
利用光纤弯曲导致光能损失的读出方式，可以通过将光纤安装 在一固定的波纹状结构中实现。通过这种转换机制得到的响应 量可从错位损失曲线中估算出来。这里，损失被定义为衰减值 A，单位dB，A=20log10A，A为输出与输入功率比。
3 读出结构 3.1 强度读出
利用光纤弯曲导致光能损失的读出方式，可以通过将光纤 安装在一固定的波纹状结构中实现。通过这种转换机制得 到的响应量可从图8-6错位损失曲线中估算出来。这里， 损失被定义为衰减值A，单位dB，A=20log10A，A为输出与 输入功率比。
无论是互易的还是非互易的旋转读出，都可以用图8-16给出的一般方案读出。此时，光纤以线性偏振态被读出。
格兰棱镜把输出场分成E1和E2，分别作用在两个 分离的光电二极管PD1和PD2上，由此，可将光场 E1和E2以及相关电流I1和I2分别表示为：
光纤传感器
2.反射系数型
工作原理：利用光纤光强反射系数的改 变来实现透射光强的调制。
5 吸收系数强度调制
利用光纤的吸收特性进行强度调制
光吸 收系 数强 度调 制原 理图
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都随着温度的升 高而近似线性地减小。因此，它们的光吸 收边的波长将随着T的升高而变化。如果选 用辐射谱与相适应的发光二极管，那么通 过半导体的光强将随着T的升高而下降，测 量透过的光强，即可确定温度。
4 折射率强度调制
作用机理：许多物理量（如温度、压力、应 变等）可以引起物质折射率的变化，从而实 现光调制。 调制方式： （1）利用光纤折射率的变化引起传输波损耗 变化的光强调制； （2）利用折射率的变化引起光纤光强反射系 数改变的透射光强调制。
1.光纤折射率变化型
一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不 同。在温度恒定时，包层折射率与纤芯折射 率之间的差值是恒定的。当温度变化时， n2、 n1 之间的差发生变化，从而改变传输损耗。 因此，以某一温度时接收到的光强为基准， 根据传输功率的变化即可确定温度的变化。 利用这一原理可以构成温度报警装置。
当外界力增大时，泄 漏到包层的散射光增 大，光纤纤芯的输出 光强度减小；当外界 力减小时，光纤纤芯 的输出光强度增强。 它们之间呈线性关系。
作用机理：
光纤由变形器引起微弯变形时，纤芯中 的光有一部分溢出到包层。若采取适当 的方式探测光强的变化，则可测量位移 变化量，据此可以制作出温度、压力、 振动、位移、应变等光纤传感器。微变 光纤强度调制传感器的优点是灵敏度高、 结构简单、响应速度快。
1、光纤传感器的特点
（1）抗电磁干扰，电绝缘和耐腐蚀； （2）灵敏度高； （3）重量轻、体积小，外形可变； （4）测量对象广泛； （5）对被测介质影响小； （6）容易实现对被测信号的远距离监控，便 于复用，便于成网。
光纤传感器
光纤传感器
1 光纤传感器基础
1.2
2 光调制与解调技术
4.4
3 光纤传感器实例
2
光纤传感器
第一节 光纤传感器基础
➢ 光纤有很多的优点，用它制成的光纤传感器（FOS） 与常规传感器相比也有很多特点：抗电磁干扰能 力强、高灵敏度 、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结 构简单、以及与光纤传输线路相容等。
光纤传感器
2.1 强度调制与解调
光纤传感器中光强度调制是被测对象引起载 波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的 方式。光强度变化可以直接用光电探测器进行检 测。
解调过程主要考虑的是信噪比是否能满足测 量精度的要求。
13
光纤传感器
几种常用的光强调制技术
1.微弯效应
微弯损耗强度调制器的 原理如图。当垂直于光 纤轴线的应力使光纤发 生弯曲时，传输光有一 部分会泄漏到包层中去。
光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能 型传感器(Function Fiber Optic Sensor)，又称 FF型光纤传感器；另一类是非功能传感器(NonFunction Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传 感器。前者是利用光纤本身的特性，把光纤作为 敏感元件，所以又称传感型光纤传感器；后者是 利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作 为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近 场所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器。
10
光纤传感器
六.光纤传感器的发展趋势
光纤传感器具有很多的优点，是对以电为基 础的传统传感器的革命性变革，发展前景是极其 光明的。但是，目前光纤传感器的成本较高,在这 方面仍面临着传统传感器的挑战，存在着与传统 传感器和其它新型传感器的竞争问题。为此，有 必要说明光纤传感器的可能发展趋势： ① 当前应以传统传感器无法解决的问题作为光纤传 感器的主要研究对象。 ② 集成化光纤传感器。 ③ 多功能全光纤控制系统。 ④ 充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监 测系统。 ⑤ 开辟新领域。
相位调制型光纤传感器
03
改变光纤长度
通过拉伸或压缩光纤来改 变光程，从而引起相位变 化
改变光纤折射率
利用外界因素（如温度、 压力等）改变光纤折射率 ，进而影响相位
利用干涉效应
采用干涉结构，将相位变 化转换为光强变化进行测 量
相位解调技术
零差解调
将信号光与本振光进行干 涉，通过检测干涉信号的 相位变化来解调信号
外差解调
电二极管、雪崩光电二极管等。
封装工艺及优化
光纤封装
采用合适的光纤封装工艺，保证光纤与调制器、探测器之间的耦 合效率和稳定性。
调制器封装
根据调制器的结构和特点，采用合适的封装工艺，保证调制器的 稳定性和可靠性。
优化设计
针对传感器性能进行优化设计，如提高灵敏度、降低噪声、增强 抗干扰能力等。
04
CATALOGUE
压力分布测量
利用光纤传感器的分布式特性，可以实现对压力场的二维或三维测 量，用于流体力学、结构健康监测等领域。
微小压力变化测量
相位调制型光纤传感器对微小压力变化非常敏感，可用于声学、生物 医学等领域。
位移测量应用
高精度位移测量
相位调制型光纤传感器可用于高精度位移测量，如机床、 精密仪器等设备的位移监测，通过测量位移引起的光纤中 光的相位变化来推断位移。
探测器
接收经过调制的光信号，并将其转 换为电信号进行处理。
关键器件选型与设计
光纤选择
01
根据传输距离、传输损耗、色散等参数选择合适的光纤类型。
调制器设计
02
根据待测物理量的特性和要求，设计合适的调制器结构，如
Mach-Zehnder干涉仪、Sagnac干涉仪等。
探测器选择
03
根据接收光信号的特性和要求，选择合适的探测器类型，如光
光纤传感器实验
实验5—5 光纤传感器实验人类进人21世纪，信息传递的方式也在悄然改变。
从两根电线传输一路电话到一根光纤传输几十、几百路电话，从海底电缆到欧亚光缆，光纤传递光信息的优点是显而易见的。
光在光纤中不断地被全反射传输，免受大气的干扰、散射，衰减大大减少，从而实现上百公里的远距离传输而不需要中间放大器。
光纤在信息传输中的应用已为人们所熟知，但将光纤用作传感器却了解不多，该实验将介绍反射式光纤位移传感器，增强对光纤传感器的了解。
光纤传感器是一种新型传感器，随着其技术的日益发展，应用越来越广泛。
光纤传感器的机理是外界物理量的变化导致光纤参数的相应改变，例如应力或温度变化时，会引起光纤长度和折射率的变化，从而形成光纤应变或温度传感器。
光纤传感器具有许多优点：重量轻、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；耐高温、耐化学腐蚀、耐水性好，还能高速率和大容量传输测得的信息，便于测试自动化和远距离传输；光纤传感器可以用于高压、电气、噪音、高温、腐蚀或其他的恶劣环境，并可实现非破坏和非接触测量，而且具有与光纤遥感技术的内在相容性。
目前，正在研制中的光纤传感器有磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和压变等类型的光纤传感器。
【实验目的】1.了解光纤、光纤传感器的基本概念。
2.了解反射式光纤位移传感器的基本原理。
3.测量并绘出输出电压与位移特性曲线。
4.了解利用反射式光纤位移传感器测量转盘转速和振动频率的工作原理。
【实验原理】Array1.光纤的基本知识1)光纤的基本结构光纤（Optic Fiber）是光导纤维的简称，一般由纤芯、包层、涂敷层与护套构成，是一种多层介质结构的对称性柱体光学纤维。
光纤的一般结构如图5-5-1所示。
纤芯和包层为光纤结构的主体，对光波的传播起着决定性作用，其中纤芯是光密媒质，包层是光疏媒质。
涂敷层与护套则主要用于隔离杂散光，提高光纤强度，保护光纤。
9-4 光纤传感器的应用
§9-4 光纤传感器的应用—— 一、温度的检测
利用半导体吸收的光纤温度传感器的基本结构如图9-11所示，这种探头 的结构简单，制作容易。但因光纤从传感器的两端导出，使用安装很不方便。
图9-12示出了三种单端式探头的结构。这几种结构都利用了反射使光返 回，在光路中放入对温度敏感的半导体薄片。这样结构的探头可以做得很小， 使用灵活方便。
将（9-16）式两边取对数，在满足 (Ap)2≤1 时等式右边展开后取第一
项,得到
ln I2 p I1 2 A
(9-17)
这表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。因此，若将 I1、I2 检出后 分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线性输出。
§9-4 光纤传感器的应用——二、压力的检测 若选用的光纤束中每根光纤的芯径为 70 μ m，包层厚度为 3.5 μ m，纤
若将Ｉ11、Ｉ12 、Ｉ21 、Ｉ22分别检测出来后作如下运算
I X (t)
I12 I 21 I11I 22
1(1 )4I123I2 13M (t)I12 (1 )4I2
1
M t
(9-13)
得到处理结果只与温度信号有关，而与其他所有的损耗及光源强度无关。
(一)遮光式光纤温度计 图9-7示出了一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关。当温度升
高时，水银柱上升，到某一设定温度时，水银柱将两根光纤间的光路遮断， 从而使输出光强产生一个跳变。这种光纤开关温度计可用于对设定温度的控 制，温度设定值灵活可变。
§9-4 光纤传感器的应用—— 一、温度的检测 图9-8所示的为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。当温度升高时，
体吸收而高于该波长的光将透过半导体。这种现象主要是由于半导体的本征 吸收引起的，λ g 称为半导体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的 吸收称为本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时，电子吸收光能从价 带跃迁入导带，显然，要发生本征吸收，光子能量必须大于半导体的禁带宽 度 Eg ，即
光纤传感3-相位调制型光纤传感器
相移将是非互易的和很不稳定的。因此应采用单模光纤以及单模滤波器，以
保证探测2到02的0/3是/28同模式的光叠加。
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③ 同偏振态 在使用单模光纤时，由于它一般具有双折射特性，也会造成一种非互易的
相移。两偏振态之间的能量耦合，还将降低干涉条纹的对比度。双折射效应 是由于光纤所受机械应力及其形状的椭圆度而引起的，所以也是不稳定的。 为保证两束光的偏振态相同，通常在光路中采用偏振态补偿技术和 / 或控制 系统，以及使用能够保持偏振态特性的高双折射光纤（保偏光纤）。采用只 有一个偏振态的单偏振光纤，可以更好地解决这一问题。 （2）偏置和相位调制 干涉仪所探测到的光功率为
是一个必须重视的问题。其中，光子噪声属基本限制。噪声的大小与入射到 探测器上的光功率有关，现按直流偏置计算其值的大小。在积分时间 T 内 探测器上收到的平均光子数为
2020/3/28
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(4) 寄生效应的影响及减除方法 ① 直接动态效应
作用于光纤上的温度及机械应力，会引起光纤中传播常数和光纤的尺寸发生 变化，这将在接收器上引起相位噪声。互易定理只适用于时不变系统，若扰 动源对系统中点对称，则总效果相消。因此应尽量避免单一扰动源靠近一端， 并应注意光纤圈的绕制技术。
一是保证同一模式的光叠加 ———为此要用单模光纤。虽然，采用多模光
纤也可得到干涉图样，但性能下降很多，信号检测也较困难。
二是为获得最佳干涉效应。，两相干光的振动方向必须一致 ——— 为此最
好采用“ 高双折射” 单模光纤。研究表明，光纤的材料，尤其是护套和外
包层的材料对光纤干涉仪的灵敏度影响极大。为了使光纤干涉仪对被测物理
这类光纤传感器的主要特点如下： 1. 灵敏度高 光学干涉法是已知最灵敏的探测技术之一。在光纤干涉仪中，由于使用了数 米甚至数百米以上的光纤，使它比普通的光学干涉仪更加灵敏。 2. 灵活多样 由于这种传感器的敏感部分由光纤本身构成，因此其探头的几何形状可按使 用要求而设计成不同形式。
光纤传感器的分类及其应用原理
光纤传感器的分类及其应用原理一、本文概述光纤传感器是一种基于光纤技术的高精度、高灵敏度的测量装置，具有广泛的应用前景。
本文旨在全面介绍光纤传感器的分类及其应用原理。
我们将首先概述光纤传感器的基本概念和分类，然后深入探讨各类光纤传感器的应用原理，以及它们在不同领域中的实际应用。
通过阅读本文，读者将能够更深入地理解光纤传感器的工作原理和应用领域，为相关研究和应用提供有益的参考。
在本文中，我们将重点关注光纤传感器的分类，包括基于干涉原理的传感器、基于光强调制的传感器、基于偏振态的传感器等。
每种类型的光纤传感器都有其独特的工作原理和应用场景。
我们将逐一分析这些传感器的工作原理，以及它们在通信、环境监测、医疗健康、军事等领域中的应用实例。
我们还将关注光纤传感器的优势与挑战。
光纤传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、传输距离远等优点，但同时也面临着成本、可靠性等方面的挑战。
我们将对这些问题进行深入探讨，以期为读者提供全面的光纤传感器知识。
本文旨在全面介绍光纤传感器的分类及其应用原理，帮助读者更好地理解和应用光纤传感器技术。
我们希望通过本文的阐述，能够激发读者对光纤传感器技术的兴趣，推动相关研究和应用的发展。
二、光纤传感器的分类光纤传感器按照其工作原理和传感机制的不同，大致可以分为以下几类：强度调制型光纤传感器：这类传感器主要利用光强的变化来感知外界的物理量，如温度、压力、位移等。
当外界物理量作用于光纤时，会导致光纤中的光强发生变化，通过测量这种变化，就可以实现对物理量的测量。
相位调制型光纤传感器：相位调制型光纤传感器主要利用外界物理量对光纤中光的相位进行调制。
当外界物理量作用于光纤时，会导致光的相位发生变化，通过测量相位变化，可以实现对物理量的测量。
这类传感器具有较高的灵敏度和精度。
偏振调制型光纤传感器：偏振调制型光纤传感器主要利用外界物理量对光纤中光的偏振状态进行调制。
当外界物理量作用于光纤时，会导致光的偏振状态发生变化，通过测量偏振状态的变化，可以实现对物理量的测量。
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光纤水听器 是一种建立在光纤、光电子技术
基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的 光学相干检测，将水声振动转换成光信号，通过 光纤传至信号处理系统提取声信号信息。
特点：灵敏度高，频响特性好。
由于采用光纤作信息载体，适宜远距离大范 围监测。
光纤水听器的结构
光纤迈克尔逊干涉仪
LD
耦合器
探测臂
可移动
光纤反射端面
PD 信号处理
参考臂
固定
原理：激光器发出的光经过耦合器分为两束，分别经过 参考臂和测量臂，两束光在两臂的端面处分别发生反射 而返回耦合器，分光后，一部分反射光进入光探测器， 另一部分光被反射进入激光器。当被测物体发生形变时， 带动粘附于被测物体上的光纤应变，使得干涉条纹移动， 从而测得该应变。
当有引力波穿过时，三角区（LISA）会收缩几百个纳米.
LISA探测器
当它们在太空中运动的时，每一个探测器都会检测与另外 两探测器之间相对位置的变化，这里不是测量绝对距离，其目 的就是探测大质量天体相互绕转时所引发的时空周期性膨胀和 收缩。每个探测器的光学系统会制造出每秒切换1百万条暗条纹 的高速变化干涉图样。时空波动或多或少的交替加强减弱这些 干涉图样。
应用
• • • • • 测量微位移 测量折射率 测量微应变、应力 测量磁场的强弱 测量压力
测量时空的变化 —引力波探测仪
引力波：
引力波就像是时空的涟漪，如果将时空想象 成水面，那么天体碰撞事件就如同一块石头落入 水中所引发的水波，只不过引力波的传播速度可 以达到光速。
基本原理：
就是通过迈克耳孙干涉仪来测量由引力波引起的 光程变化.
应用领域
光纤水听器主要用于海洋声学环境中的 声传播、噪声、混响、海底声学特性、目 标声学特性等的探测。
（1）海洋资源勘探 ——探索海洋资源，得到分布信息 （2）海底地质勘察 ——采集地震信号，推测海底地质 （3）海洋国土安全 ——反恐、反潜，水下安防