第7章 光纤传感器基本原理
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作为一种重要的光学传感器，广泛应用于各个领域，如光通信、工业自动化、医疗设备等。
本文将介绍光纤传感器的工作原理及其在实际应用中的特点。
一、工作原理光纤传感器是利用光学原理来实现物理量的检测和测量的装置。
它基于光的传输、反射、折射、散射等现象，通过改变光的强度、频率或相位来感知和测量被测物理量。
1. 光传输光纤传感器中的光信号通过光纤传输到被测物体或环境中。
光纤具有优异的光导传输特性，可以保证光信号在传输过程中的稳定性和可靠性。
2. 光的接收与反射被测物体或环境中的光信号与光纤发射的光信号相互作用后，一部分被反射回光纤。
这里的反射可以是由于光的散射、反射或折射等效应引起的。
3. 光的探测与解读通过光纤传感器接收到的反射光信号会被传感器内部的光电探测器接收并转换成电信号。
电信号会被后续的电路处理和解读，从而获取被测量的物理量信息。
二、特点和应用光纤传感器具有以下特点，使其在各个领域得到广泛应用：1. 高精度光纤传感器具有高分辨率和高灵敏度，可以对微小物理量进行准确测量。
同时，光纤传感器还能实现长距离的传输，适用于大范围的测量需求。
2. 免受干扰光纤传感器的信号传输是光学信号，不会受到电磁干扰，有较高的抗干扰能力。
这使得光纤传感器在工业自动化、电磁环境复杂的场合下具有稳定可靠的性能。
3. 多功能光纤传感器可以根据需求设计不同的传感结构，实现对不同物理量的测量。
如温度、压力、湿度等物理量都可以通过光纤传感器进行检测。
4. 实时性光纤传感器的工作响应快速，能够实时获取被测物理量的变化。
这使得在对实时监测和控制要求较高的应用领域，如工业生产过程中的物料流动监测等，光纤传感器发挥了极其重要的作用。
光纤传感器由于其独特的工作原理和优越的性能，在多个领域有广泛的应用。
以下是一些典型的光纤传感器应用案例：1. 环境监测通过光纤传感器，可以实时监测环境参数，如温度、湿度、气体浓度等。
这对于环境保护、工业安全等方面具有重要意义。
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器的感应元件的传感器。
光纤传感器的工作原理是基于光的传输和光的特性，通过检测光的强度、光的相位或光的频率等参数的变化来实现测量和检测。
下面将详细介绍光纤传感器的工作原理。
1.光的传输光纤传感器是通过光纤将信号传输到目标位置进行测量和检测的。
光纤是一种将光信号传输的波导，其内部是由高折射率的纤芯和低折射率的包层组成。
光信号通过纤芯进行传输，并且受到光纤的折射规律的影响。
光纤传感器的传感元件一般位于光纤的入口或出口处，通过测量光的强度和光的特性来实现测量和检测。
2.测量原理光纤传感器的测量原理主要有光强度测量、光干涉测量和光散射测量等。
光强度测量是利用光传输时的衰减规律，通过检测光的强度来判断目标物理量的变化。
光干涉测量是利用光的干涉现象来测量目标物理量的变化，一般是通过光纤的长度或折射率的变化来实现测量。
光散射测量是利用光在传输过程中与介质的散射作用来测量目标物理量的变化，例如测量液体的浓度或测量气体的浓度等。
3.传感原理光纤传感器的传感原理主要有光纤布拉格光栅传感器、光纤共振传感器和光纤散射传感器等。
光纤布拉格光栅传感器是利用光栅的折射率周期性变化来测量目标物理量的变化，一般是通过测量光纤中被散射回来的光的特性来实现测量。
光纤共振传感器是利用光在光纤内部多次反射产生共振，通过测量共振波长的变化来实现测量。
光纤散射传感器是利用光在光纤中遇到杂散反射或杂散散射时产生的衰减、散射或反射来测量目标物理量的变化，一般是通过测量光的强度、光的频率或光的相位的变化来实现测量。
总体来说，光纤传感器的工作原理是通过光的传输和光的特性来实现测量和检测。
光纤传感器可以应用于各种领域，例如环境监测、医疗诊断、工业控制和航天航空等。
光纤传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、抗干扰性好等特点，已经成为现代传感器技术中不可或缺的一部分。
光纤原理
折射光
折射率 n1 折射率 n0
θ1
入射光 Ii 反射光 Ir
θ1 < θc 当n0< n1入射角小于临界角时，在 入射角小于临界角时， 界面上将产生反射和折射光束。 界面上将产生反射和折射光束。
T1 = (1 − R )
2
（二）光吸收损耗
空气n 空气n0 A 入射光强I 入射光强I0 θ0 透射光强I 透射光强I B n2 n1 C d
2011年9月6日
6
子午平面
θz
2011年9月6日
7
光纤的另一种分类方法是按 光纤的传播模式来分，可分为多 光纤的传播模式来分，可分为多 模光纤和单模光纤两类 两类。 模光纤和单模光纤两类。多模光 多用于非功能型（NF） 纤多用于非功能型（NF）光纤 传感器；单模光纤多用于功能型 传感器；单模光纤多用于功能型 FF）光纤传感器。 （FF）光纤传感器。 下面介绍模的概念
入射角的最大值 为： 1 2 2 sinθ c = n1 - n 2 n0 将sinθc定义为光导纤维的数值孔径,用NA sinθ 定义为光导纤维的数值孔径, 表示, 表示,则
1 2 2 NA = sinθ c = n1 - n 2 n0
NA意义讨论： NA意义讨论： 意义讨论 • NA表示光纤的集光能力，无论光源的发 NA表示光纤的集光能力 表示光纤的集光能力， 射功率有多大，只要在2θ 射功率有多大，只要在2θc张角之内的入 射光才能被光纤接收、传播。 射光才能被光纤接收、传播。若入射角 超出这一范围，光线会进入包层漏光。 超出这一范围，光线会进入包层漏光。 • 一般NA越大集光能力越强，光纤与光源 一般NA越大集光能力越强， NA越大集光能力越强 间耦合会更容易。 NA越大光信号畸变 间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变 越大，要选择适当。 越大，要选择适当。 • 产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径 产品光纤不给出折射率N NA。 NA。
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。
三、应用领域光纤传感器在诸多领域有着广泛的应用。
1. 工业领域在工业自动化控制中，光纤传感器可用于测量温度、压力、液位、流量等物理量。
通过光纤传感器的应用，可以实现高精度、实时的物理量检测和测量，从而提高生产效率、保证产品质量。
2. 生活领域光纤传感器在生活中也有着广泛的应用，如煤气检测、火灾报警、安全防范等。
第七章第二节光纤传感器
械强度。光纤最外层是一层塑料保护管，其颜色用以区分光缆中各种不同的光
纤。光缆是内多根光纤组成。并在光纤间填入阻水油膏以此保证光缆传光性能。
光缆主要用于光纤通信。我们知道，
光纤
是利用光的内全反射规律，将入射
光传递到另一端的。
设有一段圆柱形光纤,如图所示, 当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成θ 角时,根据斯涅耳光的折射定律,在光纤内折射成θ′,然后以φ角入射至纤芯与包层 的界面。若要在界面上发生全反射,则纤芯与界面的光线入射角φ应大于临界角 φc,即
传光型光纤传感器占据了光纤传感器的绝大多数。
传感型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤 (或特 殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。在这类传感器中， 光纤不仅起传光的作用，同时利用光纤在外界因素 (弯曲、相变)的作用下，使其
二、光纤分类
根据光纤的 折射率、光纤材料、传输模式、光纤用途和制造工艺 ，有如下 几种分类方法：
1．阶跃型和梯度型光纤 根据光纤的折射率分布函数，普通光纤可分为阶跃型和梯区型两类。 阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的，即纤芯内的折射率分布大
体上是均匀的，包层内的折射率分布也大体均匀，均可视为常数，但是纤芯和 包层的折射率不同，在界面上发生突变，如下图 (a)所示。光线的传播，依靠光 在纤芯和包层界面上发生的内全反射现象。
首先看的原理
类似于光电二极管 测位移的原理
作业件检测
颜色检测
一、光纤结构和传光原理
光纤结构十分简单，它是一种多层介质结构的圆柱体，圆柱体由纤芯、包
层和护层组成。
纤芯材料的主体是二氧化硅或塑料，制成根细的圆柱体，其直径在5～
75μm内。有时在主体材料中掺人极微量的其他材料如二氧化锗或五氧化二磷等，
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。
光纤传感器的基本原理
光纤传感器的基本原理
光纤传感器通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号。
光纤传感器的测量原理有两种。
(1) 物性型光纤传感器原理
物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。
其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等转变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。
因此，假如能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。
这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。
激光器的点光源光束集中为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。
外界参数（温度、压力、振动等）引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等。
图1 物性型光纤传感器工作原理示意图
(2) 结构型光纤传感器原理
结构型光纤传感器是由光检测元件（敏感元件）与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。
其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。
图2 结构型光纤传感器工作原理示意图
(3) 拾光型光纤传感器原理
用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。
其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。
图3 拾光型光纤传感器工作原理示意图。
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。
目前，光纤传感器已广泛应用于工业控制、机械制造、军事安防、航天航空、医疗生物等领域。
随着光纤技术的不断发展和进步，光纤传感器将在更多领域展现出巨大的潜力，并为各行各业带来更多的应用和创新。
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。
第7章 光纤传感器基本原理
光源 探测器
3dB
耦合器
信号臂 参考臂
光纤迈克尔逊干涉仪结构图
图为迈克尔逊全光纤干涉仪的结构。图中以一个3dB耦合器取代了分束器，光 纤光程取代了空气光程，而且以敏感光纤作为相位调制元件。这种全光纤结构 不仅避免了非待测场的干扰影响，而且免除了每次测量要调光路准直等繁琐的 工作，使其更适于现场测量，更接近实用化。
5、折射率强度调制
辐射模
n2
传导模
n1
0
0
arcsin(
1 n0
n12 n22 ) 称 为 光 纤 孔 径 角
通过改变n1与n2之间的差，可以改变传输损耗。因此，根据传输光功
率的变化可确定物理量的变化。
光纤温度传感器原理
光纤孔径角 :0
arcsin(
1 n0
设液体折射率随温度升高而减小
涉 Io
1、光波的相位
y
1
x
1
0 L
P点相位比0点延迟
z
P
2p nL L 0
L 光波通过长度为L的光纤后，出射光波的相位延迟为:
2p nL L 0
2、引起光纤中光相位调制的物理效应 ① 应力应变效应 ② 温度应变效应
① 应力应变相位调制
2p nL L 0
4、光模式光强度调制机理
当光纤发生弯曲时， 会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，这就 是微弯损耗。 利用光在微弯光纤中强度的衰减原理，将光纤夹在两块具周期性波纹的微弯变形器中，精确地把微弯 损耗与引起微弯的器件的位置及压力等物理量联系起来制成各种光纤微弯传感器。
微弯损耗调制示意图
31 反射式强度调制 2 透射式强度调制 3 折射率强度调制 4 吸收系数强度调制 35 光模式强度调制
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是一种利用光纤作为传感元件的传感器，它通过测量光在光纤中传播时的变化来检测和测量物理量。
光纤传感器具有高精度、远距离传输、抗干扰等特点，在各种工业和科学领域得到广泛应用。
光纤传感器的基本原理是利用光的传输和调制特性。
光纤是一种具有高纯度的玻璃或塑料材料，其核心是一个非常细小的光传输通道。
光纤中的光传输主要通过光的全反射实现，光在光纤中沿一条直线方向传播。
当光束进入光纤时，由于光的全反射特性，光束基本上是在光纤中以折射的方式传播。
在光纤的表面，我们可以通过接入光源和探测器来操纵和感知光的特性。
光纤传感器可以通过许多不同的机制实现对物理量的检测。
其中最常用的是弯曲、拉伸和温度变化的传感器。
当光纤弯曲或拉伸时，光传输的路径和速度也会发生变化，从而改变光的特性。
基于这个原理，光纤传感器可以通过检测由弯曲或拉伸引起的光传输的变化来测量物理量。
此外，光纤传感器还可以通过利用光纤材料本身对温度的敏感性来实现对温度的测量。
在光纤传感器中，常用的光源有激光二极管和LED灯。
光线从光源发出，并进入光纤的入射端。
当光线进入光纤后，它会沿着光纤的传播路径传输。
在传输过程中，光线会与光纤的表面和内部结构发生相互作用，从而改变光的特性。
然后，经过光纤传输后的光线会到达光纤的出射端，然后通过光纤与探测器相连。
探测器是光纤传感器的核心部分之一，它负责检测光的变化并将其转换成可以量化的电信号。
常用的探测器有光电二极管和光敏电阻器。
当光线到达探测器时，探测器将光能转换为电能，并将其输出为电信号。
通过测量电信号的变化，我们可以确定光的特性，从而测量物理量。
光纤传感器的优点之一是其高灵敏度和高分辨率。
由于光的特性对传感器的测量结果有较高的影响，光纤传感器可以实现非常精确的测量。
此外，光纤传感器具有远距离传输能力，可以将传感信号传输到远离传感器的地方。
这对于一些需要在高温、高压或强辐射环境中进行测量的应用非常重要。
光纤传感器的基本原理
光纤传感器的基本原理
首先，光的传输是光纤传感器的基本原理。
光纤是一种较细且柔韧的
光导纤维，内部由多种介质构成，主要包括光纤芯和光纤鞘。
光纤传感器
通过光源将光信号输入光纤芯部分，然后通过光纤内部的全反射现象将光
信号传输到另一端。
光纤传感器可以利用传感器的光纤长度和形状来实现
对光信号的控制和传输，如可调节光纤长度来调节光强、形状改变来变化
传感器位置等。
其次，光的散射是光纤传感器的基本原理。
当光信号沿着光纤传输时，光会与光纤内部杂质、缺陷或外界物体发生散射。
散射光可以以不同的方
式传播，如逆向散射和正向散射。
光纤传感器利用这种散射现象，可以测
量散射光的强度、方向、相位等参数来判断光纤周围环境的物理量变化。
最后，光的吸收也是光纤传感器的基本原理。
光信号在光纤传输过程中，会被光纤内部材料吸收一部分能量。
光纤吸收与传输中的光波长、光
纤材料、光纤长度等因素有关。
光纤传感器可以通过测量吸收光的强度变
化来实现对环境参数变化的测量。
例如，红外光纤传感器可通过光纤芯部
分对红外光的吸收变化来测量温度变化。
光纤传感器的工作原理使其具有可靠性、高精度和抗干扰能力的优势。
不同的光纤传感器可以应用于不同的领域和环境，如工业生产、医疗设备、环境监测、安全防护等。
通过不同的光纤传感器原理和结构设计，可以实
现对不同物理量的测量和监测，提供精确的数据支持和可靠的控制手段。
光纤传感器基本原理
特点
➢ 对引起光纤或连接器损耗增加的某些器件的 稳定性不敏感。
➢ 解调技术复杂，常常需要分光仪。 ➢ 通常采用比值测量（两个波长的测量值为基
准），要求校准以建立比值测量所需要的参 考点。 ➢ 探测的波长范围有限。
光纤传感器基本原理
典型应用
➢ 外界因素对传输光的光谱成分中，不同波长的 光吸收特性不同。 如：溶液浓度的化学分析等。
➢ 外界因素引起光的波长发生漂移。 如：光纤光栅应力传感器，光纤光栅温
度传感器等。
光纤传感器基本原理
三．频率调制
➢ 概念 利用外界因素改变光纤中光的频率，通过
测量光频率的变化来测量外界物理量。
光纤传感器基本原理
特点
➢ 外界因素以多普勒效应的形式影响光的频 率。
➢ 适用于对运动目标的探测。 ➢ 空间分辨率高，光束不干扰流动状态。
过外界因素的改变引起光纤包层折射率的大 小发生变化，从而使得其中传输光的强度发 生变化。
光纤传感器基本原理
➢ 典型图
光纤传感器基本原理
（六）利用光纤的吸收特性进行调制 利用射线的辐射使光纤的吸收损耗增加，光
纤的输出功率降低，从而构成强度调制的测量辐射 量的传感器。
光纤传感器基本原理
原理图
特点
➢ 测量各种辐射，例如x射线的大小。 ➢ 灵敏度高、线性范围大。 ➢ 实时性强。 ➢ 典型应用：卫星外层空间剂量的监测；核电
光纤传感器基本原理
多普勒效应
研究光源与观测者之间的相对运动对接收 到的光的频率产生的影响。 ➢ 如果频率为f的光入射到相对于探测器速度为v 的运动物体上，则从物体上反射到探测器的光 频率为：
f c为fs真空1中v的/c光速(1v/c)f
光纤传感器基本原理
第七章 光纤传感技术
第7 章光纤传感技术光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体, 光纤为介质,感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。
在低损耗光纤问世不久的20世纪70年代中期人们就开始了光纤传感器的研究。
这主要是因为光纤用于传感具有独特的优点, 如无源性、化学惰性、绝缘性、极宽的信号带宽、“传”“感”合一等, 此外还有诸如灵敏度高、响应速度快、动态范围大、抗电磁干扰等。
光纤传感器经过二十多年的发展, 目前已经成为一个种类繁多的传感大家族。
本章将首先介绍光纤传感器的优点及分类方法, 随后介绍几类非常重要的光纤传感器, 比如光纤法珀传感器、光纤白光干涉传感器、光纤陀螺传感器、光纤光栅传感器等。
在介绍这些传感器时, 本书着重于介绍这几类传感器的基本传感原理、解调方法及简单的应用技术。
7. 1 引言光纤不仅能用作光波的传输媒介, 而且光纤中传输的光波的特征参量, 如振幅、相位、波长、偏振态, 以及模式等, 对外界环境因数, 如温度、压力、辐射等比较敏感。
因此通过测量光纤中传输的光波的特征参量的变化即可实现对外界相应环境参量的测量, 这也就间接实现了引起环境因素变化的相应物理量的测量。
7.1.1 基本结构光纤传感器一般由四大部分组成: 光源、信号传输光纤、传感头、光电转换及信号处理, 具体结构如图7. 1 所示。
图解光波作为载波经入射光纤传输到传感头, 光波的某些特征参量在传感头内被外界物理量所调制, 含有被调制信息的光波经出射光纤传输到光电转换部分, 经解调后就能得到被测物理量的大小和状态。
由于光波的频率很高, 且是一种二维信号载体, 所以它能传感和传输的信息量极大。
7.1. 2 光纤传感器的分类1. 按照光纤在传感系统中的功能分光纤传感, 包含对外界信号(被测量) 的感知和传输两种功能。
所谓感知(或敏感) , 是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量, 如强度(功率) 、波长、频率、相位和偏振态等发生变化, 测量光参量的变化即“感知”外界信号的变化。
光纤传感器的原理和应用
光纤传感器的原理和应用光纤传感器是一种基于光纤技术的传感器，通过光纤的传输和延时特性来实现对物理量的测量和检测。
它具有高精度、快速响应、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于工业、医疗、环境监测等领域。
本文将介绍光纤传感器的基本原理和常见的应用场景。
一、光纤传感器的基本原理光纤传感器是利用光纤波导结构的特性来实现物理量的测量和检测。
光纤波导是一种能够将光信号传送的导光器件，其核心部分是由折射率高于外部包层的光纤芯构成。
基于光的干涉、散射、吸收等特性，光纤传感器能够实现对温度、压力、位移、浓度等多种物理量的测量。
1. 光纤干涉型传感器光纤干涉型传感器是利用光的干涉效应来测量物理量的一种传感器。
光信号在光纤中传播时，受到温度、应变等物理量的影响，使得光的相位发生改变。
通过测量光的相位差，可以确定物理量的大小。
常见的光纤干涉型传感器有光纤布拉格光栅传感器、光纤干涉仪传感器等。
2. 光纤散射型传感器光纤散射型传感器是利用光在光纤中的散射效应来测量物理量的一种传感器。
光信号在光纤中传输时，会与光纤中的杂质或结构缺陷散射，通过测量散射光的特性来推断物理量的变化。
常见的光纤散射型传感器有光时域反射计传感器、拉曼散射光纤传感器等。
3. 光纤吸收型传感器光纤吸收型传感器是利用光在光纤中的吸收效应来测量物理量的一种传感器。
光信号在光纤中传输时，会被光纤材料吸收，通过测量吸收光的强度来判断物理量的变化。
常见的光纤吸收型传感器有红外光纤传感器、光纤化学传感器等。
二、光纤传感器的应用领域光纤传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于各个领域。
以下是几个典型的应用场景。
1. 工业自动化光纤传感器在工业自动化领域中，常用于测量温度、压力、液位等物理量，用于控制和监测生产过程。
例如，光纤温度传感器可以实时监测设备的温度变化，及时进行报警和控制；光纤压力传感器可以监测管道中的压力变化，用于流体控制和安全保护。
2. 医疗领域光纤传感器在医疗领域中，常用于生理参数的监测和诊断。
光纤传感器原理
光纤传感器原理光纤传感器原理光纤传感器是一种利用可检测光动态变化信号的新兴技术，由多模光纤组成，主要应用在储力、测量及监控。
它能够根据传感环境中光强度变化而发出色散、散射、衍射或吸收等现象，从而对外界的光信号进行测量和引发。
一、原理介绍1、基本原理光纤传感器的基本原理是，当任何场景或表面的光照条件发生改变时，它会改变光纤内传输的光信号，从而实现色散、衍射、散射或吸收等及其他物理和光学行为的测量和引发。
2、可测量的因素光纤传感器可以对外界光源或探测平面内的发光物体（如钢轨或轨道铺设物）的位移、温度、湿度、压力等进行测量和引发，其原理是可检测光动态变化信号，它可从多种现象中获取信号，如：检测不可见光，检测红外线管、检测射线管、检测激光管等因素。
二、光纤传感器的优点1、测量精度高光纤传感器具有精确度高、测量精度高、可靠性强、适用于恶劣环境等优点，可实现物体位移较小量程的精准测量，同时能够保证较高的稳定性和耐用性。
2、使用简便光纤传感器由多模光纤组成，不受电磁场干扰，且能够进行全局性水平和垂直方向的测量，能够对外界物体状态进行实时跟踪，具有使用简便的优点。
3、应用灵活光纤传感器的适用范围比较广泛，涵盖了工业控制、照明控制、安全防护、土木设计以及农业检测等多个领域，体积小、灵活多变，能够根据不同的环境条件实现定制化。
三、发展前景随着5G、物联网和大数据等科技成果的不断推动，光纤传感器将受到越来越多的关注它在工业自动化和智能监控方面有着广泛的应用前景，尤其是随着电子技术发展和新材料应用的普及，其应用领域将不断扩大。
此外，随着AI技术的发展，光纤传感器可以应用于机器人等自动控制领域，在自主性的机械运动控制中实现更高精度的测量和引发，实现智能控制并避免人为错误。
总之，光纤传感器具有可靠性高、精度高、应用灵活、维护方便等优点，它已经成为当今新兴技术中最受欢迎的检测和测量工具，在工业自动化以及各个领域的应用可望获得更多的成功。
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。
光纤传感器的基本工作原理
光纤传感器的基本工作原理首先是光信号的采集。
光纤传感器一般由光源、光纤和待测环境三部分构成。
光源发出的光经过光纤传输至待测环境，并与环境发生作用。
根据环境的不同，光信号会发生吸收、散射、反射等变化。
这些变化会导致发射光的强度、相位、频率等产生相应的变化。
所以，光纤传感器需要能够采集这些变化的信息，并传输到探测端。
其次是光信号的传输。
光纤传感器通过光纤进行光信号的传输。
光纤是一种具有高透光性和低损耗的光导波器件，可将光信号以全内反射的方式从源端传输到探测端。
光纤一般由芯、壳和包层组成。
光信号是通过芯层的全内反射来传输的，而壳和包层则起到保护和强化光信号的作用。
光纤的径向尺寸和几何形状对光的传输和耦合性能有较大影响。
最后是光信号的探测。
光纤传感器的探测过程主要有两种方式：直接探测和间接探测。
直接探测是指将光纤作为传感器的敏感部件，通过测量光信号的强度和相位等参数来获得被测量物的信息。
这种方法适用于光纤陀螺仪、光纤压力传感器等。
间接探测则是将光纤作为传输媒介，将光信号传输到另一个传感器上进行测量。
这种方法适用于将光纤用作温度、湿度、气体浓度等传感器的传输线。
无论是直接探测还是间接探测，光纤传感器都需要借助探测器来对光信号进行解调和测量。
常用的探测器有光电二极管、光电倍增管、光电探测器、光谱分析仪等。
这些探测器能够将光信号转换为电信号，并进行相应的放大、滤波和处理，最终输出结果。
除了基本的光纤传感器，还有许多特殊类型的光纤传感器，如光纤光栅传感器、光纤晶体管传感器、光纤干涉传感器等。
它们在工作原理上有所差异，但基本的采集、传输和探测过程依然存在。
总之，光纤传感器是一种重要的传感器技术，利用光纤的特性进行物理量测量和监测。
它具有高灵敏度、抗电磁干扰、抗腐蚀等优点，广泛应用于航空航天、交通运输、医疗健康、环境监测等领域。
随着光纤传感技术的不断进步，它在实时监测和无损检测领域的应用前景将更加广阔。
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光源 探测器
信号臂
3dB
耦合器
参考臂
PZT
2.马赫－泽德（Mach-Zehnder）干涉仪原理
固定反射镜
分束器2
光探测器
光源
很少有光 返回到激
光器
分束器1
反射镜的 位移引起 相位差
可移动反射镜
2.马赫－泽德（Mach-Zehnder）干涉仪原理
固定反射镜
分束器2
光探测器
光源
很少有光 返回到激
光器
调制信号
L
传感器的灵敏度主要与三个因素有关：微弯幅度、微 弯数目、微弯周期。其中微弯周期的影响最大，且有 一个与传感光纤有关的临界周期Lc。当光纤微弯周期 接近于临界周期时，光纤中光功率损耗急剧增加，即 光纤传感灵敏度显著增加。
微弯损耗光强度调制的应用
光纤由变形器引起微弯变形时，纤芯中的光有一部分 逸出到包层。若采取适当的方式探测光强的变化，则 可知道位移变化量，据此可以制作出温度、压力、振 动、位移、应变等光纤传感器。 微变形光纤强度调制传感器的优点：灵敏度高、结构 简单、响应速度快。
分束器1
反射镜的 位移引起 相位差
可移动反射镜
光纤马赫—泽德干涉仪
S
信号臂
光源 I0 3dB
3dB
耦合器
参考臂
耦合器
耦合再分 成两束光
信号处 理器 测量参数
优点：体积小、机械性能稳定 3信号臂与参考臂相位差
3. 塞格纳克干涉仪（光纤陀螺）
光纤陀螺（fiber optic gyroscope ―FOG）是利用光 学传输特性而非转动部件来敏感角速率和角偏差的 惯性传感技术。FOG可用于洲际导弹、远程轰炸机 和核潜艇的制导,也可广泛应用于飞机、船舶和汽车 的导航,火炮和雷达系统的稳定控制,石油钻井和机器 人控制等国民经济和国防建设的许多重要领域。光 纤陀螺仪是根据塞格纳克（Sagnac）的理论发展起 来的。
概念：待测物理量引起光纤中的传输光的相位 发生变化，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。
S
被
光探
Ii
测
测器
信
号
干
iD
相位调 制区
涉 Io
1、光波的相位
y 1 z
x
1
0
P
L
P点相位比0点延迟
2p nL L 0
L
光波通过长度为L的光纤后，出射光波的相 位延迟为:
2p nL L 0
•
迈克尔逊干涉仪示意图
M2
M1
1
s
M1
G1
G2
2 2
•
每当M1移动/2 ,光线1、2的 光程差就改变一个，视场中 就会看见一条条纹移过，如 果看见N条条纹移过，则反 射镜M1移动的距离是：
dN 2
迈克尔逊干涉仪示意图
激光器
M2
M1
1
2p 2
0
G1
G2
M1
待检测信
号
2
光探 测器
可移动反射镜每移动
调 制
位移、压力、 温度等
信
号
x
动光纤式光强调制模型
3、遮光型光强调制
将光强调制信号加在移
动的遮光板上。该办法 可以测量位移、压力、
发射光纤
温度等物理量，这些物
理量的变化使光强变化。
由于闸式要使两光纤距
离大一些，因此光损耗
较大，但它可固定两光 纤，因而使用可靠。
光闸
接收光纤
调 制 信 号
4、光模式光强度调制机理
2d
输入光纤
输出光纤
d
a
输出光纤
反射型光强外调制示意图
输入光纤 2r
a
输入光纤的镜像
输入光纤
输出光纤
d
a
输出光纤
输入光纤的出射光与输出光纤纤芯的重叠部分
令：T tg(sin 1 N.A.)
输入光纤
N.A＝sin
a
R
输出光纤
2r 2d
R r 2Td
返回
输入光纤的出射光与输出光纤纤芯的重叠部分
L n
a
② 温度应变相位调制
温度应变效应与应力应变效应相似。若光纤放置在变
化的温度场中，那么温度场将影响光纤折射率n和长度
L。
2p L L
设＝nk0 ,则 nk0L
温度变化引起光纤中光波相位延迟为：(k0Ln T来自k0nL )T T
L( 1
n
n T
)T
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,L/(LT)热膨胀系数。
光源
信号臂
3dB
探测器
耦合器
参考臂
I＝I0(1+cos)
0
两束光位相差： ＝ 2p nL 0
这样，通过检测光强变化，可知，进而测量产生 变化的物理量。
I＝I0(1+cos)
I＝I0(1-sin) p /2
0
存在问题： 小信号灵敏度低
0
解决方法： 在两束光之间引入p/2 相位偏置
PZT相位偏置
1.迈克耳逊干涉仪
M1和M2是两块平面反射镜,其中M2是固定的,M1可作微小移动。 G1有一半透明的薄银层,起分光作用。G2起补偿作用。M1′是 M1对G1形成的虚像。M2和M1′间形成一空气薄膜。
M2
M1
1
s
M1
G1
G2
2
当 M1 、 M2 严 格 垂 直 时,M1′和M2之间形成 等厚空气膜,可观察到 等倾条纹的圆形条纹; 当 M1 、 M2 不 严 格 垂 直时,M1′和M2之间形 成空气劈尖,这时可观 察到等厚干涉的直线 条纹。
当光纤发生弯曲时， 会引起光纤中的模式耦合， 其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗， 这就是微弯损耗。 利用光在微弯光纤中强度的衰减原理，将光纤夹 在两块具周期性波纹的微弯变形器中，精确地把 微弯损耗与引起微弯的器件的位置及压力等物理 量联系起来制成各种光纤微弯传感器。
微弯损耗调制示意图
调制信号
(k0L
n T
k0n
L T
)T
L( 1
n
n T
)T
例如：纯硅材料，折射率n=1.46
热胀温度系数 5.5107 / k
折射率温度系数 n 0.68105 / k
T
4、几种常用干涉检测技术
1）迈克尔逊干涉仪 2）马赫-泽德（Mach-Zehnder）干涉仪 3）赛格纳克（Sagnac）干涉仪 4）法布里－珀罗干涉仪
2dT
d(mm)
简化处理
上面的分析作了很多简化处理：除了线性假设部分 ，还假定了①光纤为阶跃型光纤；②模谱是均匀一 致的，即功率密度在光维底面上是均匀的；③反射 面平行于光纤端面；④反射率为100％等。
2、透射式强度调制
发射光纤与接收光纤对准，光强调制信号加在移动的遮光板 上，或直接移动接收光纤，使接收光纤只能收到发射光纤发 出的部分光，从而实现光强调制。待测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x。
因此最大检测范围：
d r T
光耦合系数近似计算
如果作线性近似，即将维体边缘与输 出光纤芯交界的弧线作为直线处理， 则可得到线性解，在线性近似下，可 求得交叠面积与光纤芯面积之比为：
r
r
模型
（
r
）
1
p
c
os11
r
1
r
s
in
c
os1
1
r
式中 为交叠面积的高，由 d 决定：
2dT a
传感型 传光型
3、光纤传感器分类
1）强度调制型 2）相位调制型 3）频率调制型 4）波长调制型 5）偏振调制型
7.2 强度调制光纤传感器的基本原理
概念：待测物理量引起光纤中传输的光波强度 发生变化，通过检测光强的变化实现待测物理 量的测量。
S
被
Ii
测 信
光探 测器
号
调制区
iD
Io
1、强度调制传感器类型
第7章 光纤传感器基本原理
Fundamental of Optical Fiber Sensor
7.1 光纤传感器基本原理
1、光调制的概念 光调制就是将信息加到载到波光波上，使光载波 的某一参数随外加信号变化而变化，这些参数包 括光波的强度、位相、频率、偏振、波长等。承 载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器 检测，然后解调出所需要的信息。
2、光纤传感系统的基本构成
光源
被
测 信号检测
参
数 与处理
外界物理量与 进入调试区的
光相互作用
传输光纤
光电 探测 器
传调感制区区
光强、波长、频率、 相位、偏振态等发 生变化
光纤本身起敏感元件的 作用。光纤与被测物理 量相互作用时，光纤自 身的结构参量或者光纤 的传光特性发生变化。
光纤不做为敏感器件， 只起传到光的作用
2T
检测范围
当距离 d
a
时，两光纤的耦
2T
合为零，无反射光进入输出光
纤；
当
d
a 2r 2T
时，两光纤耦合最
强，输出光强达最大值，此时
输入光纤的像发出的光维底面
积将输出光纤端面积全部遮盖，
pr2 是 一 个 常 数 ， 光 维 底 面 积
为p(dT)2
检测位移的范围：
在 d a 和 a 2r 之间 2T 2T
当 T ' T 时，n'2 n2
T T’ 液体
n2
n1
0
光纤含油量传感器原理
光纤孔径角 : 0