传感器原理及其应用光纤传感器PPT课件
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《光纤传感器》PPT课件
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。
光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器
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强度调制与解调
利用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， 结构简单、容易实现、成本低。 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响
第三十三页，共33页。
传输光纤 出射光纤
标志孔
电路板标志检测
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。
第三十页，共33页。
光纤式光电开关应用
遮断型光纤 光电开关
第三十一页，共33页。
光纤式光电开关应用
第三十二页，共33页。
采用遮断 型光纤光电
开关对IC 芯 片引脚进行 检测
内容总结
光纤传感器。r为光纤半径，λ为光波波长。光纤传感器一般可分为两大类：功能型FF和非功 能型NF。功能型FF:利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件。优点：无需特殊光纤及其他特 殊技术，。利用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。便于与 计算机和光纤传输系统相连 ，易于实现系统的遥测和控制。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。与光纤耦合的电光与光电转换器件
光纤传感器
一、 光纤传感器基础
二、 光调制与解调技术
三、 光纤传感器实例
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第一页，共33下页。一页
第二页，共33页。
第三页，共33页。
一、 光纤传感器基础
9.1.1 光纤波导原理
光纤波导简称光纤，是用透光率高的电介质(石英、玻 璃、塑料等)构成的光通路。
光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器
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强度调制与解调
利用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， 结构简单、容易实现、成本低。 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响
第三十三页，共33页。
传输光纤 出射光纤
标志孔
电路板标志检测
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。
第三十页，共33页。
光纤式光电开关应用
遮断型光纤 光电开关
第三十一页，共33页。
光纤式光电开关应用
第三十二页，共33页。
采用遮断 型光纤光电
开关对IC 芯 片引脚进行 检测
内容总结
光纤传感器。r为光纤半径，λ为光波波长。光纤传感器一般可分为两大类：功能型FF和非功 能型NF。功能型FF:利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件。优点：无需特殊光纤及其他特 殊技术，。利用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。便于与 计算机和光纤传输系统相连 ，易于实现系统的遥测和控制。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。与光纤耦合的电光与光电转换器件
光纤传感器
一、 光纤传感器基础
二、 光调制与解调技术
三、 光纤传感器实例
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一、 光纤传感器基础
9.1.1 光纤波导原理
光纤波导简称光纤，是用透光率高的电介质(石英、玻 璃、塑料等)构成的光通路。
《光纤传感器》PPT课件
光导纤维的主要参数
1. 数值孔径（NA）
2. 光纤模式
3. 传播损耗
返返 回回
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1. 数值孔径（NA）
2 NA sin i n12 n2
反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。
意义：无论光源发射功率有多大，只有 2θi 张角 之内的光功率能被光纤接受传播。
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
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将上式两边取对数，在满足(Ap)2≤1时，得到
传感器的固有频率可表示为
2.56t gE fr p 2 2 R 3 (1 )
式中, ρ――膜片材料的密度； g――重力加速度。 结构简单、体积小、使用方便， 光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，
其精度就要受到影响。
返
回
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The most commonly used type of fiberoptic sensor is an intensity sensor, where light intensity is modulated by an external stimulus
光纤传感器强度调制
非 干 涉 型
光纤传感器偏振调制
光纤传感器频率调制
注：MM——多模光纤；SM——单模光纤；PM——偏振保持光纤
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光纤传感器ppt讲解可修改文字
NA n12 n22
n n 1为纤芯折射率 ， 2 为包层折射率
arcsinNA是一个临界角，
θ> arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；
θ< arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。
数值孔径的意义是无论光源发射功率有多大，只有2 张角之内的光被
光纤接受传播。一般希望光纤有大的数值孔径，这样有利于耦合效率的提高。 但数值孔径越大，光信号将产生大的“模色散”，入射光能分布在多个模式 中，各模式速度不同，因此到达光纤远端的时间不同，信号将发生严重的畸
非功能型光纤传感器
传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的媒介， 待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的， 光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。
三 介绍几种光纤传感器
1，光纤压力传感器
Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如 图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片 受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化， 从而使输出光强受到调制。
6 光纤传感器的类型
光纤传感器按其作用方式一般分为两种类型： 一 功能型光纤传感器， 二 非功能型光纤传感器。
功能型光纤传感器
这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏 感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且 在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学 特性得到调制，调制后 的信号携带了被测信息。
（3）传输损耗
由于光纤纤芯材料的吸收、散射、光纤弯曲处的辐射损耗等 的影响，光信号在光纤中的传播不可避免地要有损耗，光纤的传输 损耗A可用下式表示
-10 lg I0
A=
I
L
式中 L ——光纤的长度 I0——光纤入射端的光强 I——光纤输出端的光强
n n 1为纤芯折射率 ， 2 为包层折射率
arcsinNA是一个临界角，
θ> arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；
θ< arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。
数值孔径的意义是无论光源发射功率有多大，只有2 张角之内的光被
光纤接受传播。一般希望光纤有大的数值孔径，这样有利于耦合效率的提高。 但数值孔径越大，光信号将产生大的“模色散”，入射光能分布在多个模式 中，各模式速度不同，因此到达光纤远端的时间不同，信号将发生严重的畸
非功能型光纤传感器
传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的媒介， 待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的， 光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。
三 介绍几种光纤传感器
1，光纤压力传感器
Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如 图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片 受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化， 从而使输出光强受到调制。
6 光纤传感器的类型
光纤传感器按其作用方式一般分为两种类型： 一 功能型光纤传感器， 二 非功能型光纤传感器。
功能型光纤传感器
这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏 感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且 在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学 特性得到调制，调制后 的信号携带了被测信息。
（3）传输损耗
由于光纤纤芯材料的吸收、散射、光纤弯曲处的辐射损耗等 的影响，光信号在光纤中的传播不可避免地要有损耗，光纤的传输 损耗A可用下式表示
-10 lg I0
A=
I
L
式中 L ——光纤的长度 I0——光纤入射端的光强 I——光纤输出端的光强
光纤传感器原理及应用课件
光纤通过全反射原理传递 光信号，具有低衰减、低 色散等优点。
光的干涉与衍射
光纤中光的干涉与衍射现 象可用于传感和调制。
光纤传感器的原理
光纤传感器通过检测光纤中光信号的 变化来感知外界物理量的变化。
外界物理量如温度、压力、磁场等作 用于光纤，导致光纤中光信号的相位 、频率、强度等发生变化，从而感知 外界物理量的变化。
水质监测
光纤传感器可用于监测水体中的化学 物质、温度、浊度和流速等参数，确 保水质安全和生态平衡。
医疗领域
生物医学
光纤传感器可以用于监测生物体内的生理参数，如血压、血氧饱和度和体温等 ，为医疗诊断和治疗提供重要信息。
光学成像
光纤传感器结合光学成像技术，可用于内窥镜、显微镜等领域，提高医疗诊断 的准确性和效率。
光纤传感器原理及应用课件
目 录
• 光纤传感器原理 • 光纤传感器的应用领域 • 光纤传感器的优势与挑战 • 光纤传感器的发展趋势与前景 • 实际应用案例分析
01
光纤传感器原理
光纤的结构与特性
01
02
03
光纤的结构
光纤由中心纤芯、包层和 涂覆层组成，具有低损耗 、高透明度、高带宽等特 性。
光的全反射
成本较高
光纤传感器制造工艺复杂，导致其成 本相对较高。
小型化与集成化难度大
实现小型化与集成化的光纤传感器制 造技术有待突破。
交叉敏感问题
部分光纤传感器可能对不同参数敏感 ，导致测量结果不准确。
04
光纤传感器的发展趋势与 前景
技术创新
光纤传感器的技术不断创新，以 提高其灵敏度、精度和稳定性。
新型光纤材料和制造工艺的应用 ，将进一步优化光纤传感器的性
光纤压力传感器在石油工业中主要用于监测井下压力，具有高精度和高可靠性的特点。它们能够实时传输数据， 帮助工程师及时了解井下情况，优化开采过程，提高石油产量。
光的干涉与衍射
光纤中光的干涉与衍射现 象可用于传感和调制。
光纤传感器的原理
光纤传感器通过检测光纤中光信号的 变化来感知外界物理量的变化。
外界物理量如温度、压力、磁场等作 用于光纤，导致光纤中光信号的相位 、频率、强度等发生变化，从而感知 外界物理量的变化。
水质监测
光纤传感器可用于监测水体中的化学 物质、温度、浊度和流速等参数，确 保水质安全和生态平衡。
医疗领域
生物医学
光纤传感器可以用于监测生物体内的生理参数，如血压、血氧饱和度和体温等 ，为医疗诊断和治疗提供重要信息。
光学成像
光纤传感器结合光学成像技术，可用于内窥镜、显微镜等领域，提高医疗诊断 的准确性和效率。
光纤传感器原理及应用课件
目 录
• 光纤传感器原理 • 光纤传感器的应用领域 • 光纤传感器的优势与挑战 • 光纤传感器的发展趋势与前景 • 实际应用案例分析
01
光纤传感器原理
光纤的结构与特性
01
02
03
光纤的结构
光纤由中心纤芯、包层和 涂覆层组成，具有低损耗 、高透明度、高带宽等特 性。
光的全反射
成本较高
光纤传感器制造工艺复杂，导致其成 本相对较高。
小型化与集成化难度大
实现小型化与集成化的光纤传感器制 造技术有待突破。
交叉敏感问题
部分光纤传感器可能对不同参数敏感 ，导致测量结果不准确。
04
光纤传感器的发展趋势与 前景
技术创新
光纤传感器的技术不断创新，以 提高其灵敏度、精度和稳定性。
新型光纤材料和制造工艺的应用 ，将进一步优化光纤传感器的性
光纤压力传感器在石油工业中主要用于监测井下压力，具有高精度和高可靠性的特点。它们能够实时传输数据， 帮助工程师及时了解井下情况，优化开采过程，提高石油产量。
光纤传感器ppt
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
第12章 光纤传感器
反射式光纤位移传感器
➢ 利用光纤实现无接触位移测量 光源经一束多 股光纤将光信号传送至端部;并照射到被测物体 上 另一束光纤接受反射的光信号;并通过光纤 传送到光敏元件上 被测物体与光纤间 距离变化;反射到 接受光纤上;光通 量发生变化 再通 过光电传感器检测 出距离的变化
温度压力光纤传感器
✓ 中心——纤芯；
✓ 外层——包层；
包层
✓ 护套——尼龙料
性质
✓ 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质;
✓ 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2N1＞N2
第12章 光纤传感器
1光纤的结构和传输原理 ②光纤的传光原理： 光纤的传播基于光的全反射 当光线以不同角 度入射到光纤端面时;在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时;光线
第12章 光纤传感器
2光纤的性能几个重要参数 ③传播损耗A
➢ 光纤在传播时;由于材料的吸收 散射和弯曲 处的辐射损耗影响;不可避免的要有损耗
用衰减率A表示：
A10lg(I1/I2)(dB/Km) l
I1 I2：两接收光纤的光强 在一根衰减率为10dB/Km的光纤中;表示当光纤传输
1Km后;光强下降到入射时的1/10
干涉现象 微小弯曲损失
散射损失
双波长透射率 变化
反射角变化
石英系玻璃 旋转圆盘
石英系玻璃 石英系玻璃 薄膜+膜条 C45H78O2+VL2255N
振子
薄膜
生成着色中心
光纤束成像 多波长传输 非线性光学
第12章 光纤传感器
反射式光纤位移传感器
➢ 利用光纤实现无接触位移测量 光源经一束多 股光纤将光信号传送至端部;并照射到被测物体 上 另一束光纤接受反射的光信号;并通过光纤 传送到光敏元件上 被测物体与光纤间 距离变化;反射到 接受光纤上;光通 量发生变化 再通 过光电传感器检测 出距离的变化
温度压力光纤传感器
✓ 中心——纤芯；
✓ 外层——包层；
包层
✓ 护套——尼龙料
性质
✓ 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质;
✓ 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2N1＞N2
第12章 光纤传感器
1光纤的结构和传输原理 ②光纤的传光原理： 光纤的传播基于光的全反射 当光线以不同角 度入射到光纤端面时;在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时;光线
第12章 光纤传感器
2光纤的性能几个重要参数 ③传播损耗A
➢ 光纤在传播时;由于材料的吸收 散射和弯曲 处的辐射损耗影响;不可避免的要有损耗
用衰减率A表示：
A10lg(I1/I2)(dB/Km) l
I1 I2：两接收光纤的光强 在一根衰减率为10dB/Km的光纤中;表示当光纤传输
1Km后;光强下降到入射时的1/10
干涉现象 微小弯曲损失
散射损失
双波长透射率 变化
反射角变化
石英系玻璃 旋转圆盘
石英系玻璃 石英系玻璃 薄膜+膜条 C45H78O2+VL2255N
振子
薄膜
生成着色中心
光纤束成像 多波长传输 非线性光学
《光纤传感器》课件
频率调制型
通过外界物理量的变化引起光 纤中光的频率变化，从而实现 对外部参数的测量。
相位调制型
通过外界物理量的变化引起光 纤中光的相位变化，从而实现
对外部参数的测量。
光纤传感器的应用领域
工业自动化
用于监测温度、压力、流量、液位等参数， 实现工业过程的自动化控制。
环境监测
用于监测环境中的温度、湿度、压力、气体 浓度等参数，实现环境监测和治理。
光纤传感器在高温、低温或温度变化环境下保持性能的能力。高温度适应性传感器能够在更宽的温度范围内正常 工作，适用于各种恶劣环境。
湿度适应性
光纤传感器在潮湿、干燥或湿度变化环境下保持性能的能力。高湿度适应性传感器能够在更宽的湿度范围内正常 工作，适用于各种环境湿度条件。
05
光纤传感器的发展趋势与挑战
新材料与新技术的应用
光纤传感器
目录
• 光纤传感器概述 • 光纤传感器的技术原理 • 光纤传感器的设计与制造 • 光纤传感器的性能指标 • 光纤传感器的发展趋势与挑战 • 光纤传感器案例分析
01
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、 化学量和生物量等参数。
新材料
新型光纤材料如掺铒光纤、光子晶体光纤等，具有更高的非线性效应和增益特性，提高了光纤传感器 的性能。
新技术
量子点、纳米线等新型纳米材料的应用，提高了光纤传感器的灵敏度和分辨率。
集成化与小型化的发展趋势
集成化
将多个光纤传感器集成在同一根光纤上，实现多参数、多维度的测量，提高了测量效率 和精度。
小型化
光纤压力传感器的应用案例
总结词
光纤压力传感器在石油、化工、航空航天等 领域有重要应用。
光纤传感器ppt课件
第9章 光纤传感器
光纤传感器的原理结构及种类
光的传输原理
光导纤维传感器的类型
功能型光纤传感器
非功能型光纤传感器
光纤传感器的应用
光纤即光导纤维是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成新的光学技术，创造了光电子学新领域。光纤的出现产生了光纤通讯技术，特别是光纤在有线通讯网的优势越来越突出，它为人类21世纪的通讯基础------信息高速公路奠定了基础，为多媒体（符号、数字、语言、图形和动态图象）通信提供了实现的必须条件。
光导纤维传感器的类型
光纤传感器的分类
按测量对象分类 ：分为光纤温度传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器。
按光纤中光波调制的原理分类 ：分为强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器。
按光纤在传感器中的作用分类 ：分为功能型光纤传感器（FF型，function fiber）和非功能型光纤传感器（NFF型，non function fiber）
高纯度石英（sio2）玻璃纤维，这种材料的光损耗比较小。
多组分玻璃纤维，用常规玻璃制成，损耗较小。
塑料光纤，用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但质量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。
2、按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型 1）阶跃型光纤（折射率固定不变）：指纤芯和包层折射率不连续的光纤。 2）梯度型光纤（纤芯折射率近似呈平方分布）：在中心轴上折射率最大，沿径向逐渐变小，界面处 n1=n2，n1的分布大多按抛物线规律，其关系式为： n1=n.(1-A.r2/2) n为纤芯中心折射率，如1.525 A为常数，如A=0.5mm-2 r为径向坐标 采用梯度折射率光纤时，光射入光纤后会自动从界面向轴心会聚，故也称为自聚焦光纤。
光纤传感器的原理结构及种类
光的传输原理
光导纤维传感器的类型
功能型光纤传感器
非功能型光纤传感器
光纤传感器的应用
光纤即光导纤维是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成新的光学技术，创造了光电子学新领域。光纤的出现产生了光纤通讯技术，特别是光纤在有线通讯网的优势越来越突出，它为人类21世纪的通讯基础------信息高速公路奠定了基础，为多媒体（符号、数字、语言、图形和动态图象）通信提供了实现的必须条件。
光导纤维传感器的类型
光纤传感器的分类
按测量对象分类 ：分为光纤温度传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器。
按光纤中光波调制的原理分类 ：分为强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器。
按光纤在传感器中的作用分类 ：分为功能型光纤传感器（FF型，function fiber）和非功能型光纤传感器（NFF型，non function fiber）
高纯度石英（sio2）玻璃纤维，这种材料的光损耗比较小。
多组分玻璃纤维，用常规玻璃制成，损耗较小。
塑料光纤，用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但质量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。
2、按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型 1）阶跃型光纤（折射率固定不变）：指纤芯和包层折射率不连续的光纤。 2）梯度型光纤（纤芯折射率近似呈平方分布）：在中心轴上折射率最大，沿径向逐渐变小，界面处 n1=n2，n1的分布大多按抛物线规律，其关系式为： n1=n.(1-A.r2/2) n为纤芯中心折射率，如1.525 A为常数，如A=0.5mm-2 r为径向坐标 采用梯度折射率光纤时，光射入光纤后会自动从界面向轴心会聚，故也称为自聚焦光纤。
《光纤传感器 》课件
通过化学气相沉积等方法 制备出光纤预制棒，作为 光纤制造的原材料。
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。
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。
《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
传感器原理及其应用光纤传感器课件
传感器原理及其应用光纤传感器课 武汉理工大学件机电工程学院
第9章 光纤传感器
2．非功能型(传光型)光纤传感器
这类光纤传感器中光纤仅起导光
作用，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，光纤
在系统中是不连续的。此类光纤
传感器无需特殊光纤及其他特殊
技术，比较容易实现，成本低； 非功能型光纤传感器使用的光
传感器原理及其应用光纤传感器课 武汉理工大学件机电工程学院
第9章 光纤传感器
光电转换器件采用光电二极管
传感器原理及其应用光纤传感器课 武汉理工大学件机电工程学院
第9章 光纤传感器
9.2 光纤传感器的分类及其工作原理
光纤传感器与电类传感器的对比
电
被
电源
类
测
电类传感器
电缆
传
参
电量检测
感
量
器
光源
光
被
纤
可以证明，该入射角为
sin0
1 n0
n12 n22
光 纤 的 “ 数 值 孔 径 ” NA ，
NAsin0n10 n12n22
传感器原理及其应用光纤传感器课 武汉理工大学件机电工程学院
第9章 光纤传感器
9.1.3 光纤的种类 1．按材料分类
1) 高纯度石英(SiO2)玻璃纤维
这种材料的光损耗比较小，在波长时，最低损耗约为 0.47 dB/km 。 锗 硅 光 纤 ， 包 层 用 硼 硅 材 料 ， 其 损 耗 约 为 0.5 dB/km。
光纤传感器的特点:
①电绝缘性能好。 ②抗电磁干扰能力强。 ③非侵入性。 ④高灵敏度。 ⑤容易实现对被测信号的远距离监控。 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
第9章 光纤传感器
2．非功能型(传光型)光纤传感器
这类光纤传感器中光纤仅起导光
作用，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，光纤
在系统中是不连续的。此类光纤
传感器无需特殊光纤及其他特殊
技术，比较容易实现，成本低； 非功能型光纤传感器使用的光
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第9章 光纤传感器
光电转换器件采用光电二极管
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第9章 光纤传感器
9.2 光纤传感器的分类及其工作原理
光纤传感器与电类传感器的对比
电
被
电源
类
测
电类传感器
电缆
传
参
电量检测
感
量
器
光源
光
被
纤
可以证明，该入射角为
sin0
1 n0
n12 n22
光 纤 的 “ 数 值 孔 径 ” NA ，
NAsin0n10 n12n22
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第9章 光纤传感器
9.1.3 光纤的种类 1．按材料分类
1) 高纯度石英(SiO2)玻璃纤维
这种材料的光损耗比较小，在波长时，最低损耗约为 0.47 dB/km 。 锗 硅 光 纤 ， 包 层 用 硼 硅 材 料 ， 其 损 耗 约 为 0.5 dB/km。
光纤传感器的特点:
①电绝缘性能好。 ②抗电磁干扰能力强。 ③非侵入性。 ④高灵敏度。 ⑤容易实现对被测信号的远距离监控。 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
第8章光纤传感器应用分析ppt课件
光强
(3) 基于磁致伸缩和布拉格光纤光栅的电流传感器
反射光谱
λB
布拉格波长 B 2neff
传感器头
磁致伸缩材 料
螺线管内磁场 B 0nI
光纤光栅电流传感器结构 1
宽光谱光源 波长测量
环形器
信号 处理
施加磁场改变光栅的周 期，使其反射波长产生 变化。
电流传感器结构 2
GMM--磁致伸缩材料
弱而伸缩，使得通过光纤的光
程发生变化。信号光与参考光
干涉后，得到与磁场成比例的
输出信号。这种磁场传感器灵
敏度高，分辨率可达10-12T, 可
用于测量磁场、探矿等。
光纤 干涉仪测量
a）光纤马赫—泽德尔磁场传感器
光源
3dB
磁场
磁致伸缩材料被覆 光纤作为测量臂
测量臂
3dB
耦合器
耦合致伸缩效应的物理解释
在铁磁质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的 交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子中电子的 自旋磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和 状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为磁畴。
磁畴
单晶磁畴结构示意图
多晶磁畴结构示意图
磁场增强 H
在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁 能将低于磁矩与外磁反向排列时的磁能，结果是自 发磁化磁矩和外磁场成小角度的磁畴处于有利地位， 这些磁畴体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩与外磁场 成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。随着外磁场的不 断增强，取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失， 留存的磁畴将向外磁场的方向旋转。
沉积镍薄膜
裸光纤
几种敏感元件的基本结构
a) 被覆式 b) 心轴式 c) 带式
被覆材料
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1.1光纤传感器的基本知识
1.1.1 光纤的结构 光纤是光导纤维的简称，形状一般为圆柱形，材料是高纯度的石 英玻璃为主，掺少量杂质锗、硼、磷等。光纤的结构如图所示。
纤芯的折射率比包层的折射率稍大，当满足一定条件时，光就 被“束缚”在光纤里面传播。
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1.1.2 光纤的传光原理
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单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长。其折射率分布均 为阶跃型。单模光纤原则上只能传送一种模数的光，常用于光 纤传感器。这类光纤传输性能好，频带很宽，具有较好的线性 度；但因芯小，难以制造和耦合。
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多模光纤允许多个模 数的光在光纤中同时 传播，通常纤芯直径 较大，达几十微米以 上。由于每一个“模” 光进入光纤的角度不 同，它们在光纤中走 的路径不同，因此它 们到达另一端点的时 间也不同，这种特征 称为模分散。特别是 阶跃折射率多模光纤， 模分散最严重。这限 制了多模光纤的带宽 和传输距离。
由斯涅尔定律得
sin c
n2 n1
临界角仅与介质的 折射率的比值有关
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当入射角 ＞1 c时，光线不会透过其界面，而全部反射到光密物
质内部，也就是说光被全反射。根据这个原理，如图所示，只要
使光线射入光纤端面的光与光轴的夹角 小于一0 定值，则入射到
光纤纤芯和包层界面的 角就满足1 小于临界角 的条件，光c 线就
3) 塑料光纤
用 人 工 合 成 导 光 塑 料 制 成 ， 其 损 耗 较 大 ， 当 时 ， 达 到 100 ～ 200 dB/km。但其重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导 光。
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2．按折射率分类 分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤，如图所示。在纤芯和 包层的界面上，纤芯的折射率不随半径而变,但在纤芯与包层界 面处折射率有突变的称为阶跃型；而光纤纤芯的折射率沿径向由 中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致的称为 渐变型。
1) 高纯度石英(SiO2)玻璃纤维
这种材料的光损耗比较小，在波长时，最低损耗约为 0.47 dB/km 。 锗 硅 光 纤 ， 包 层 用 硼 硅 材 料 ， 其 损 耗 约 为 0.5 dB/km。
2) 多组分玻璃光纤
用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤，在波长时， 最低损耗为3.4 dB/km。
射不出光纤的纤芯。光线在纤芯和包层的界面上不断地产生全反
射而向前传播，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。
可以证明，该入射角为
sin0
1 n0
n12 n22
光 纤 的 “ 数 值 孔 径 ” NA ，
NAsin0n10 n12n22
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1.1.3 光纤的种类 1．按材料分类
如图，它指利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤 (或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感 器。功能性光纤传感器中光纤不仅起传光作用，而且还利用光 纤在外界因素的作用下，其光学特性(光强、相位、频率、偏 振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器 中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。 这类传感器主要使用单模光纤。
111
渐变折射率多模光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴 线开始沿径向大致按抛物线形成递减，中心轴折射率最大，因 此，光纤在纤芯中传播会自动地从折射率小的界面向中心会聚， 光纤传播的轨迹类似正弦波形，如图所示，具有光自聚焦效果， 故渐变折射率多模光纤又称为自聚焦光纤。因此渐变折射率多 模光纤的模分散比阶跃型小得多。
示例：遮光式光纤温度计
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激光二极管
光源
发光二极管
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专用的光纤连接头及光纤插座 光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固 定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。
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光电转换器件采用光电二极管
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1.2 光纤传感器的分类及其工作原理
光纤传感器与电类传感器的对比
电
被
电源
类
测
电类传感器
电缆
传
参
电量检测
感
量
器
光源
光
被
纤
测
光纤传感器
光缆
传
参
光量检测
感
量
器
分类内容 调制参量 敏感材料 传输信号 传输介质
光纤传感器 光的振幅、相位、频率、偏振态 温-光敏、力-光敏、磁-光敏 光 光纤、光缆
电类传感器 电阻、电容、电感等 温-电敏、力-电敏、磁-电敏 电 电线、电缆
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1.2.1 光纤传感器分类 1．功能型光纤传感器
光纤传感器的特点:
①电绝缘性能好。 ②抗电磁干扰能力强。 ③高灵敏度。 ④容易实现对被测信号的远距离监控。
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
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如图，根据几何光学理论，当
光线以某一较小的入射角 ，由
折射 1 率为n1的光密物质射向折 射率为n2的光疏物质(即n1＞n2)
时，则一部分入射光以折射角 折射入光2 疏物质，其余部分以 角度反射回 1 光密物质，根据折 射定律(斯涅尔定律)，光折射和
反射之间的关系为：
n1sin1n2sin2
当光线的入射角 增 1 大到某一角度 时 ，c 透射入光疏物质的折射 光则沿界面传播，即 ＝902 °，称此时的入射角 为临界c 角。那么，
概论
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，它与以电为基础的传感器有本质区 别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感 信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。
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3．按光纤的传播模式分类 根据传输模数的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。
什么是光纤的传播模式 光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播 的两种平面波成分。后者在纤芯和包层的界面上会产生全反射。 当它在横切向往返一次的相位变化为 2 的整倍数时，将形成驻 波。形成驻波的光线组称为“模”；它是离散存在的，亦即一 定纤芯和材1.4 构成光纤传感器除光导纤维之外，还必须有光源和光探测器， 另外还有一些光无源器件。 光无源器件是一种不必借助外部的任何光或电的能量，由自身能 够完成某种光学功能的光学元器件，光无源器件按其功能可分为光 连接器件、光衰减器件、光功率分配器件、光波长分配器件、光隔 离器件、光开关器件、光调制器件等。