光纤传感技术读书笔记

题目光纤传感技术读书笔记学院（系）：

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摘要：主要阐述了光纤传感技术的原理、特点及国内外的发展情况，介绍了在

实际测量中的一些具体应用。提出了我国光纤传感技术存在的问题，指出了今后的发展的方向，为光纤传感技术的深入研究提供了有益的参考

关键词：光纤传感技术；测量精度；光纤传感器

1 前言

自1966年高昆博士提出光纤传输的理论，以及1969年日本平板波利公司制出200dB/KM梯度光纤以来，光纤传感技术取得了飞速发展，而且已经形成了独立的光通讯产业形成。由于它独特的优点，决定了可实现某些特殊条件下的测量工作，比常规检测技术具有诸多优势，是传感技术发展的一个主导方向。光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势。光纤传感器产业已被国内外公认为最具有发展前途的高新技术产业之一，它以技术含量高、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。

2 光纤与光纤传感器的原理

光纤的结构由纤芯，包层，涂覆层，护套组成。光缆的结构由12×12的光纤阵列，光纤带，纸，聚乙烯内壳，聚烯烃双绞线，聚乙烯外壳，抗应变的钢索组成。而光纤传感器通常由光源、传感光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成。其传光原理是利用了光的全反射原理，将被测参量转换为光信号参数的变化。众所周知，描述光波特征的参量很多(如光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等)。这些参量在光纤传输中都可能会受到外界影响而发生改变，特别是温度、压力、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、弯曲、应变以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时，都会使这些参量发生相应变化。光纤传感器就是根据这些参量随外界因素的变化关系来检测各相位物理量的大小。

从结构上来讲，光纤传感器与电类传感器对比，光纤传感器的调制参量是振幅，相位。而电类传感器是电阻，电容，电感等。光纤传感器的传输信号为光，而电类传感器的传输信号为电。传输介质也有了很大的不同，光纤传感器的传输介质是光纤，光缆，而电类传感器的介质是电线，电缆。由结构的对比可见，光纤传感器与电类传感器是并行互补的一类新型传感器。

从应用上来讲，光纤传感器与传统传感器相比有其独特的优点，即非接触式测量、抗干扰力强、灵敏度高、体积小、重量轻、柔性好，而且测量对象广泛。因此，在传感器行业中，光纤传感器越来越显示出它的优势。它将替代传统的机械接触式传感器及电容非接触式传感器。机械接触式传感器磨损被测表面，这就限制了测量精度。电容非接触式传感器的抗电磁干扰力差，使得其适用范围受到限制。

3 光纤传感器的调制技术以及光信号的解调技术

光纤传感器的调制技术有四种，(1)强制调制，(2)相位调制，(3)偏振态调制，(4)频率调制。

强制解调有1)利用小的线位移或角位移进行强度调制；2)反射式强度调制；

3)利用微弯产生损耗进行强度调制；4)利用折射率变化进行强度调制。

相位调制是通过被测参量调制光纤中光的相位的原理，称为相位调制。需要注意以下几点：1)光敏器件不能直接测量相位变化，需通过干涉变化后方可测量。

2)光波的相位由光纤波导物理长度、折射率及分、波导模的几何尺寸的参量所决定。3)压力、温度、张力等被测参量可直接改变上述波导参量。

偏振态调制需要注意两点：1)光敏器件不能直接测量光的偏振态，必须通过起偏器和检偏器才能检测其偏振状态。2)偏振态调制主要是利用物质的旋光性、法拉第效应、克尔效应、光弹效应等。

频率调制是指频率为f 的光入射到相对探测器速度为V 的物体上，则有()11V f V s c f f -=≈+⋅。其中s f 为运动物体反射光频率。

波长调制就是利用被测参量改变光纤中的波长。波长调制不受光强变化影响，但解调技术较复杂。其主要有热-色调制和位移-波长调制。

光纤干涉仪主要则有马赫—曾德尔光纤干涉仪，萨格纳克光纤干涉仪，迈克尔逊光纤干涉仪，法布里—珀罗（F —P ）光纤干涉仪。

光信号的解调技术有(1)强度解调，(2)光波相位解调，(3)频率解调，(4)波长(颜色解调)，(5)光谱仪解调。

强度解调分为单光路微弱信号解调，双光路弱光信号。

光波相位解调有被动零差法、相位跟踪零差法、外差法。

波长(颜色)解调分为二波长单光路解调、二波长双光路解调。

光谱仪解调则有光纤光栅用于分布式光纤传感系统。

4 国内外光纤传感器的发展概况

由于光纤传感器应用的广泛性及其广阔的市场，其研究和开发在世界范围内引起了高度的重视，各国家更是竞相研究开发并引起激烈的竞争。

美国是研究光纤传感器起步最早、水平最高的国家，在军事和民用领域的应用方面，其进展都十分迅速。在军事应用方面，研究和开发主要包括：水下探测的光纤传感器、用于航空检测的光纤传感器、光纤陀螺、用于核辐射检测的光纤传感器等。这些研究都分别由美国空军、海军、陆军和国家宇航局(NASA)的有关部分负责，并得到许多大公司的资助。美国也是最早将光纤传感器用于民用领域的国家。如运用光纤传感器检测电力系统的电流、电压、温度等重要参数，监测桥梁和重要建筑物的应力变化，检测肉类和食品的细菌和病毒等。日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光纤传感器的研究与开发。日本在20世纪80年代便制定了“光控系统应用计划”，该计划旨在将光纤传感器用于大型电厂，以解决强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中的信息测量、传输和生产过程的控制。20世纪90年代，由东芝、日本电气等15家公司和研究机构，研究开发出12种具有一流水平的民用光纤传感器。西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光纤传感器的研发和市场竞争，其中包括英国的标准电讯公司、法国的汤姆逊公司和德国的西门子公司等。

我们在20世纪70年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相差不远。目前，已有上百个单位在这一领域开展工作，如清华大学、华中科技大学、武汉理工大学、重庆大学、核工业总公司九院、电子工业部1426所等。他们在光纤传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移计等领域进行了大量的研究，取得了上百项科研成果，其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值，