光纤传感

光发送器
信号 处理
光接 收器
耦合器源自文库光纤 被测对象
非功能型光纤传感
• 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。
光纤结构
• 光纤呈圆柱形，它由纤芯和包层两个同心圆柱 的双层结构组成。
纤 芯
n1 包 层
光纤传感技术
• 光纤传感器是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。
• “有关光在纤维中的传输以用于光学
2R 2r n2
光纤结构
n1
n2 n
• 纤芯 core：折射率较高，用来传送光；
• 包层 coating：折射率较低，与纤芯一起形 成全反射条件；
• 保护套 jacket：强度大，能承受较大冲击， 保护光纤。
纤芯 包层
保护套
光纤的尺寸
• 外径一般为125um(一根头发平均100um) • 内径：单模9um
光路可弯曲，对被测信号远距离监控：
• 光纤损耗低，中继距离长 石英光纤在1.31μm和1.55μm波长，传输损耗分别为 0.50dB/km和0.20dB/km。
• 泄漏小， 保密性能好 光纤传输光泄漏非常微弱，弯曲地段无法窃听 没有专用的特殊工具，光纤不能分接，信息在光纤中传输 非常安全。
• 节约金属材料， 有利于资源合理使用 铜、铝、铅的储存量有限；而制造光纤的石英取之不尽。
功能型光纤传感
• 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。
全光纤型传感器
• 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
光纤技术发展
• 1960年，梅曼发明第一台“红宝石激光器”。激光频谱窄； 方向性好；相干性。（理想的光载波）
• 1966年，高锟和霍克哈姆指出利用光纤进行信息传输的可能 性和技术途径。（理论基础）
• 1970年，康宁公司研制光纤损耗20dB/km（光纤商用） 1970年—1979年，光纤损耗0.2dB/km以下
• 1970年，光源取得实质性进展。研制成功室温下连续振荡的 镓铝砷双异质结半导体激光器(短波长)
光纤技术
光纤通信
1976年，美国在亚特兰 大进行第一个光纤通信现 场实验，速率44.7Mb/s 1980年，美国铺设东西 干线和南北干线，22个州 1983年，日本南北光缆 干线，全长3400km 1989年，第一条横跨太 平洋光缆建成，全长
光纤传感的形成
• 实际光纤通信过程中发现,光纤受到外界环 境因素的影响。如压力、温度、电场、磁 场等环境条件变化时，将引起光纤传输的 光波量，如光强、相位、频率、偏振态等 变化。因此，测量出光波量变化的大小， 就可以知道导致这些光波量变化的压力、 温度、电场、磁场等物理量的大小．于是 就出现了光纤传感器技术。
通信方面”取得了突破性成就2009年
诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家
高锟
• 高锟-光纤之父
1966年，高锟发表了一篇题为《光频率介质纤维表 面波导》的论文，开创性地提出光导纤维在通信上 应用的基本原理，描述了长路程及高信息量光通信 所需绝缘性纤维的结构和材料特性。简单地说，只 要解决好玻璃纯度和成分等问题，就能够利用玻璃 制作光学纤维，从而高效传输信息。
“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光 作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相 变)的作用，其光学特性(光强、相位、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。
光发送器
光纤敏感元件
信号处理
光接收器
拾光型光纤传感器
• 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 探针、光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤 温度传感器光纤光栅传感器等。
13200km 90年代， 我国光缆干线 “八横八纵”，全长8万 公里
光纤传感
1970-1980，主要以强度调 制型光纤传感器的研究为主。 1980-1990，开始大规模研 究干涉型光纤传感技术。 1990-2000，光纤光栅 （FBG）传感技术进入一个 研究热潮。 2000-至今，光纤传感技术 进入商业化进程。
多模50/62.5um
125 9
125 50
125 62.5
光纤的分类
• 按材料分类：
– 石英光纤：纤芯与包层都是SiO2，损耗小，传 输距离长，成本高；
光纤传感特点
• 电绝缘性能好。 • 抗电磁干扰能力强。 • 光路可弯曲，对被测信号远距离监控。 • 非侵入性。 • 高灵敏度。
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
电绝缘性能好（不可能产生静电火花）
抗电磁干扰能力强：
Electromagnetic Interference （EMI） 传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。 辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合 (干扰)到另一个电网络。
人为的干扰源
天电噪声 宇宙射线
从干扰信号的频率范围来分，可以把干扰源分为 • 工频干扰源（50Hz及其谐波） • 低频干扰源（30Hz以下） • 射频及视频干扰源（300kHz以上） • 微波干扰源（300MHz~100GHz）
虽然光和电都属于电磁波，但频率范围相差很大 。一般微波干扰频率在吉赫10GHz ，光纤工作频 率在 200THz
光纤传感器的发展方向
• 光纤传感器的发展方向主要有以下几个方面： ① 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。
光纤传感分类
光纤传感器一般可分为两大类：一类是功 能型传感器，又称FF型光纤传感器；另一 类是非功能型传感器，又称NF型光纤传感 器。