光纤传感器
光纤传感器
这种干涉仪是多光束干涉，与前几种双光束干涉仪不同。
光 源
BS
M2
光纤
M1
调制
S0(t)
透射 输出
反射输出
几种干涉仪的共同点：如果相干光均在空气中传播, 受环境温度变化的影响，会引起空气折射率的扰动以 及声波干扰，导致空气光程的变化，造成工作不稳定， 精度的降低。
利用单模光纤作干涉仪的光路，可以减小环境温度的 影响。
其中
2
a
微弯光纤纤芯半径
n1 n2 相对折射率差 n1
2 2 n1 n2 2 2n1
对SIF, 对GIF,
g
g2
有: 有:
0
a
2a
0
例:水听器
2．光强度的外调制
外调制技术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤
本身只起传光作用。这里光纤分为两部分：发送光纤和
例
被测物理量(温度)
I in
折射率改变
I out
1
强度改变
2 3
(a)
(b)
斜面反射式光纤温度传感器 1、2 光纤 3 棱镜
4 由光吸收系数的改变引起的强度调制
X射线等辐射线会使光纤材料的吸收损耗增加,光纤的输出 功率降低.
辐射 Iin L Iout D
(二) 解调
S0(t)
1 直接检测
L
D2 S D1
可得: I 2 I 0 1 cos( m t )
频移 m 一般由声光调制器AOM(布喇格盒)获得.其实质 是多谱勒效应
注:相位检测技术非常复杂,限于课时,不能展开讲解.有兴趣 的同学可参看王惠文主编的«光纤传感技术与应用»一书.
光纤传感器
光纤传感器光纤传感器技术在现代科技领域中扮演着重要的角色。
本文将介绍光纤传感器的原理、应用领域以及未来发展趋势。
光纤传感器是一种利用光纤输送光信号并将其转换为传感信号的装置。
其工作原理基于光纤的光学特性，利用光的传输和反射来检测物理量的变化。
光纤传感器可以实现高灵敏度、高分辨率、快速响应和远程感知等特点，因此在许多领域得到广泛应用。
一种常见的光纤传感器类型是光纤光栅传感器。
光纤光栅传感器利用光栅的干涉效应来实现对物理量的测量。
光栅是将光纤纤芯中周期性的折射率变化引入的装置，在光的传播过程中形成干涉。
当光栅受到外界物理量的作用时，其折射率发生变化，从而引起干涉的变化，进而实现对物理量的检测。
光纤传感器的应用领域非常广泛，其中之一是环境监测领域。
光纤传感器可以用于测量温度、湿度、压力等环境参数，用于监测大气污染、水质污染、土壤质量等环境指标。
通过将光纤传感器网络部署在不同地点，可以实现对环境状况的实时连续监测，为环境保护提供重要数据支持。
另外，光纤传感器在基础设施安全领域也起着关键作用。
例如，光纤传感器可以应用于石油管道、天然气管道、电力输电线路等重要设施的监测和安全保护。
通过光纤传感器可以实现对温度、压力、振动等参数的监测，及时发现异常情况并采取措施，避免事故的发生。
光纤传感器还在医疗领域发挥着重要作用。
例如，在手术中，医生可以使用光纤传感器来监测患者的生命体征，如心率、血压等，并及时作出反应。
此外，光纤传感器还可以用于光学成像，如光纤内窥镜等，帮助医生进行精确的病灶检测和治疗。
未来，光纤传感器技术有望进一步发展。
一方面，随着光纤技术的不断革新，光纤传感器的性能将得到进一步提升。
例如，光纤传感器的灵敏度和分辨率将更高，响应速度将更快，从而满足更多领域对传感器的需求。
另一方面，光纤传感器的应用范围也将不断扩大，如在机器人技术、智能交通、航空航天等领域的应用都将成为可能。
这些发展将进一步推动光纤传感器技术的应用和创新。
光纤传感器的原理和分类
光纤传感器的原理和分类光纤传感器是一种利用光纤作为传感元件的传感器，其原理基于光的传输和传导特性。
由于光纤具有高强度、高精度、抗干扰性强等优点，因此在许多领域被广泛应用。
本文将介绍光纤传感器的原理以及常见的分类。
一、光纤传感器的原理光纤传感器是通过利用光的传输和传导特性来实现对物理量的测量或检测。
其原理基于光在光纤中传播的特性，通过引入测量介质或改变光纤本身的物理性质，来实现对所测量量的感应和转换。
光纤传感器的工作原理主要包括两个部分：光纤内部光的传输和光的检测与测量。
光纤中的光通过全反射现象在光纤内部传输，当外界环境或测量介质的物理性质发生变化时，会引起光的入射角度或传播路径的改变。
这样，光的特性变化就能被传感器感受到，并通过光的检测与测量来转换成电信号或数字信号进行处理。
二、光纤传感器的分类1. 根据测量原理分类- 干涉型光纤传感器：利用干涉原理测量物理量的变化，如干涉型位移传感器、干涉型应力传感器等。
- 散射型光纤传感器：利用光的散射现象测量介质的物理性质，如散射型温度传感器、散射型液位传感器等。
- 吸收型光纤传感器：利用介质对光的吸收特性测量物理量的变化，如吸收型浓度传感器、吸收型压力传感器等。
2. 根据传感原理分类- 光纤光栅传感器：利用光栅的周期性结构产生的光波反射、衍射或干涉现象进行测量，如光纤光栅位移传感器、光纤光栅应变传感器等。
- 光纤光栅传感器具有高精度、高分辨率和良好的抗干扰性能，在工业自动化、航空航天等领域得到广泛应用。
3. 根据测量的物理量分类- 光纤温度传感器：通过测量介质对光的吸收和散射特性来对温度进行测量。
- 光纤压力传感器：通过测量介质对光的压力和扭转特性来对压力进行测量。
- 光纤位移传感器：通过测量光纤长度的变化来对位移进行测量。
三、光纤传感器的应用领域光纤传感器由于其高灵敏度、高分辨率、抗干扰性强等特点，被广泛应用于各个领域。
以下是一些主要的应用领域：1. 工业自动化：光纤传感器在工业自动化中常用于测量温度、压力、液位等参数，可以实现对工业过程的监测与控制。
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。
光纤传感器原理与应用
光纤传感器原理与应用光纤传感器是一种基于光学原理的传感器，利用光的散射、干涉、吸收等特性来测量目标物理量。
它具有高灵敏度、快速响应、无电磁干扰等优点，在各个领域得到广泛应用。
本文将介绍光纤传感器的原理、分类以及在不同领域的应用。
一、光纤传感器的原理光纤传感器的工作原理基于光的传输和光与物质的相互作用。
其基本结构由光源、光纤和光检测器组成。
光源发出光信号经光纤传输到目标位置，通过光与目标物理量的相互作用，改变光信号的特性，最后被光检测器接收并转换成电信号进行处理。
光纤传感器的原理主要有散射原理、干涉原理和吸收原理。
散射原理是利用目标物质对光的散射程度与目标物理量之间的关系来进行测量；干涉原理利用光的相位干涉来测量目标物理量；吸收原理则是利用目标物质对光的吸收程度与目标物理量之间的关系来进行测量。
根据不同的原理，可以设计出不同类型的光纤传感器。
二、光纤传感器的分类光纤传感器根据测量方式的不同，可以分为直接测量型和衍射测量型。
1. 直接测量型直接测量型光纤传感器是通过测量光的散射、干涉或吸收来间接测量目标物理量的。
根据光的散射、干涉或吸收特性的不同，直接测量型光纤传感器又可以分为散射型、干涉型和吸收型。
散射型光纤传感器是通过测量光信号在光纤中由于目标物质散射导致的光功率、频谱或相位的变化来进行测量的。
常见的散射型光纤传感器有拉曼散射和布里渊散射传感器。
干涉型光纤传感器是通过测量光信号在光纤中由于目标物质引起的干涉引起的相位差变化来进行测量的。
干涉型光纤传感器可以实现高灵敏度的测量，常见的干涉型光纤传感器有光纤干涉仪和弗罗伊德森干涉仪。
吸收型光纤传感器是通过测量光信号在光纤中由于目标物质吸收导致的光功率变化来进行测量的。
吸收型光纤传感器可用于测量目标物质的浓度、温度和压力等。
常见的吸收型光纤传感器有光纤光栅传感器和吸收型光纤传感器。
2. 衍射测量型衍射测量型光纤传感器是通过测量目标物质对光的衍射现象来直接测量目标物理量的。
光纤传感器概念
光纤传感器概念
嘿，朋友们！今天咱来聊聊光纤传感器呀！这玩意儿可神奇啦，就好像是给各种设备装上了一双超级敏锐的眼睛呢！
你想想看啊，光纤传感器就像是一个特别机灵的小侦探，时刻在监测着各种情况。
它能察觉到极其微小的变化，比咱人类的感觉可厉害多啦！比如说在一些工厂里，它能精准地检测到温度、压力、位移等等这些重要的数据。
这要是靠咱人眼去看，那可真是太难啦，说不定还会看错呢！
它的工作原理呢，其实也不难理解。
就像是一条细细的光线在传递着各种信息，一旦有什么风吹草动，它马上就能察觉到。
这多厉害呀！而且啊，它还特别耐用，不容易坏。
不像有些东西，用着用着就出毛病啦。
在我们的生活中，光纤传感器可发挥了大作用呢！比如在桥梁的监测上，它能随时告诉我们桥梁是不是安全，有没有啥问题。
这就好像给桥梁找了个贴心的保镖一样。
还有在医疗领域，它能帮助医生更准确地了解病人的身体状况，这可真是太重要啦！
再说说它的优点吧，那可真是数都数不过来。
它的精度高得吓人，一点点小变化都逃不过它的法眼。
而且它还不受电磁干扰，这多牛啊！别的那些传感器遇到电磁干扰可能就不行啦，但光纤传感器可不怕。
你说这光纤传感器是不是特别棒？它就像是一个默默工作的小英雄，
在我们看不见的地方守护着我们的生活。
咱得感谢这些科技的进步呀，让我们的生活变得越来越美好。
总之，光纤传感器就是这么个神奇又实用的东西。
它在各个领域都大显身手，为我们的生活保驾护航。
大家可得好好认识认识它，说不定哪天你就会发现它在你身边发挥着重要作用呢！。
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利用光纤作为传感器的基础元件，通过光的波导和传输特性来感知和测量环境参数的器件。
它具有高灵敏度、宽测量范围、抗干扰能力强等特点，在工业、医疗、环境监测等领域有广泛的应用。
本文将详细介绍光纤传感器的工作原理以及其在不同应用领域中的具体应用。
一、光纤传感器的工作原理光纤传感器的工作原理基于光的传输和波导特性。
它利用光纤的高折射率和内部的光波导效应，将入射的光信号沿着光纤进行传输，并通过测量光信号的改变来获得环境参数的相关信息。
1. 光纤传感器的结构光纤传感器由光纤、光源、检测器和信号处理器组成。
光源产生光信号，通过光纤传输到检测器上，检测器接收到光信号并转换为电信号，再经过信号处理器进行放大、滤波和数字化处理。
2. 光纤的传输特性光纤传感器利用光纤的传输特性进行环境参数测量。
一般来说，光纤的折射率会随着环境参数的变化而改变，例如温度、压力、应变等。
通过测量光信号在光纤中的传播时间、相位差、幅度变化等参数，可以确定环境参数的数值。
3. 光纤传感器的工作原理光纤传感器根据不同的测量原理可以分为多种类型，例如光纤布拉格光栅传感器、光纤衍射光栅传感器、光纤受限传感器等。
这些传感器利用光纤的特殊结构和波导特性，通过测量光信号的衰减、干涉、散射等变化来获得环境参数的相关信息。
二、光纤传感器的应用光纤传感器具有高灵敏度、快速响应、抗干扰能力强等优势，在多个领域中得到了广泛的应用。
1. 工业应用光纤传感器在工业领域中被广泛应用于压力、温度、湿度等参数的测量。
例如，光纤布拉格光栅传感器可以用于监测桥梁、管道等结构的应变变化，以及测量机械设备中的应力分布情况。
光纤传感器还可以用于燃气、液体等介质的检测和监测。
2. 医疗应用光纤传感器在医疗领域中的应用较多，例如用于血氧饱和度监测、生物体内脉搏测量、呼吸检测等。
由于光纤传感器具有非接触式测量的特点，可以大大提高患者的舒适度和安全性。
3. 环境监测光纤传感器在环境监测中起到重要的作用。
光纤传感器名词解释
光纤传感器名词解释
光纤传感器是一种利用光纤中的光信号进行传感、测量和通信的新型传感器技术。
以下是光纤传感器的一些常见名词解释:
1. 光纤:光纤是一种由细钢丝或聚合物纤维构成的光学传输线,具有透明的表面和内部,可以通过光学传播光信号。
2. 光信号:光信号是指通过光纤传播的光量子或光比特的电信号。
3. 光学传感器:光学传感器是一种利用光学原理进行传感的传感器。
它通过检测光纤中的光信号来感知外部物体的存在或形状、尺寸等信息。
4. 非接触式传感器:非接触式传感器是指不需要与被测物体直接接触的传感器。
例如,光学传感器、超声波传感器、红外线传感器等。
5. 灵敏度:灵敏度是指光纤传感器对微弱信号的响应程度。
它取决于传感器的结构、材料、光源和传输线等因素。
6. 分辨率:分辨率是指光纤传感器能够检测出特定信号的数量级。
它取决于传感器的光谱分辨率和信号放大倍数等因素。
7. 测量范围:测量范围是指光纤传感器能够测量的最小和最大的物体尺寸和形状。
它取决于传感器的光谱范围和放大倍数等因素。
光纤传感器具有高精度、高灵敏度、高可靠性、低成本等优点,广泛应用于机械、电子、化工、环境等领域的测量和检测。
随着传感器技术的不断发展,光纤传感器的应用领域也在不断扩展。
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。
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ppt课件
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。
光纤传感器及应用
光纤传感器在智能电网中的应用
总结词
分布式监测、高精度、低成本
详细描述
光纤传感器利用分布式技术对电网中的电压、电流等参数进行实时监测，具有高精度和 低成本的特点，有助于提高智能电网的运行效率和稳定性。
传输距离远
光纤传感器利用光信号传输， 可以实现远距离的信号传输和
测量。
耐腐蚀、耐高温
光纤传感器具有很好的耐腐蚀 和耐高温性能，可以在恶劣的
环境下工作。
02 光纤传感器的应用领域
能源领域
石油和天然气
光纤传感器可以用于监测石油和 天然气管道、储罐和生产设施的 压力、温度和流量等参数，确保 安全和高效的能源传输与利用。
光纤传感器在医疗诊断中的应用
总结词
无损检测、高灵敏度、实时监测
VS
详细描述
光纤传感器在医疗诊断中主要用于生理参 数监测、组织病变检测等方面，具有无损 检测和高灵敏度的特点，能够实时监测患 者的生理状态，为医疗诊断提供重要依据 。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
环境监测领域
大气污染
光纤传感器可用于监测大气中的污染 物浓度，如二氧化硫、氮氧化物和颗 粒物等，为环境保护提供实时数据。
水质监测
光纤传感器可用于监测水体的pH值、 溶解氧、浊度和污染物浓度等参数， 保障水质安全。
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、血糖和血氧饱和度等， 为医疗诊断和治疗提供重要信息。
03 光纤传感器的技术发展
光纤传感器的材料技术
光纤传感器
I
H
2R
26
由以上两式可得偏转角
Vd
lI
2R
绕在导线上的光纤长度为：l 2RN ，代入上式得
Vd N I
通过光纤的光偏振面偏转角与被测电流及光纤的匝数 成正比，与光纤圈半径大小无关。
优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。
27
（c）频率调制光纤传感器
被测对象引起的光频率的变化来进行监测 利用运动物体反射光和散射光的多普勒效
3）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 激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。
22
(2) 根据光受被测对象的调制形式
(a) 强度调制型光纤传感器 (b) 偏振调制光纤传感器 (c) 频率调制光纤传感器 (d) 相位调制传感器
返回
上一页
返回
上一页
下一页
斯乃尔定理
光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本原理。 一、斯乃尔定理(Snell's Law) 斯乃尔定理:当光由光密物质(折射率大)出射至光疏物质(折射 率小)时,发生折射。其折射角大于入射角,即：即n1＞n2时，θr ＞θi
n1、n2、θr、θi之间的数学关系为
n1sinθi=n2sinθr
返回
上一页
下一页
15
选择光源的准则
由于光纤传感器中光纤细而长，若使光 波能在其中正常传播，并满足测量要求， 则对光源的结构与性能有一定要求：
– (1)由于光纤传感器结构所限，要求光源的体 积小，便于与光纤耦合；
– (2)光源要有足够的亮度，以提高传感器输出
的光功率；
– (3)光源发出的光波长应适合，以减少光波
《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
光纤传感器
fs fi1c vco1sco2s
P L
θ1 Θ2
v
O
4、相位调制传感器
被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。 利用光弹效应的声、压力或振动传感器； 利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器； 利用电致伸缩的电场、电压传感器
利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺） 优点：灵敏度很高， 缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。
损 耗 / ( d－B )1·k m
10 0 50
10
5
实验
红外
吸收
1
0.5
瑞 利 散射
紫 外 吸收 0.1
0.05
波 导 缺陷
0.01 0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
波 长 / m
散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的 瑞利散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射 产生的。 结构缺陷散射产生的损耗与波长无关。
材料色散是材料的折射率随频率变化引起的色散，因此材料色散引起的脉冲展宽与光源谱宽成正比。对于多 模渐变型光纤，如果采用激光器(LD)作光源，其谱宽一般为1-2nm，故可忽略材料色散。此时，脉冲展宽主要 由模间色散决定。但是，当光源为发光二级管(LED)时，由于其谱宽大约为30—50nm，故增加了材料色散的 影响。这时，材料色散和模问色散相比不可忽略。
光纤传感器
一、基础知识
光纤传感器
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。
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。
光纤传感器测试原理
光纤传感器测试原理光纤传感器是一种基于光纤技术的传感器，通过光纤中传播的光信号来实现对环境参数的测量和监测。
它具有高灵敏度、高分辨率、无电磁干扰和远距离传输等优点，在工业、医疗、环境监测等领域得到了广泛应用。
本文将详细介绍光纤传感器的测试原理。
一、光纤传感器工作原理光纤传感器的工作原理基于光的传输和传感。
光纤传感器一般由光源、传感元件、光路和光电检测器等组成。
在测试过程中，光源产生的光经过传感元件，受到被测物理量的影响，其光特性发生变化。
这种变化会对经过光纤的光信号造成影响，最终被光电检测器接收并转换为电信号输出。
二、光纤传感器的分类光纤传感器根据其测试原理和应用领域可以分为多种类型，如光纤光栅传感器、光纤布里渊散射传感器、光纤拉曼散射传感器等。
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实现对物理量的测量。
当光波通过光栅时，一部分光将通过布拉格光栅反射回来，通过测量反射光的光强和光波长度的变化来分析被测物理量。
2. 光纤布里渊散射传感器光纤布里渊散射传感器利用光纤中的布里渊散射效应来实现对温度和应变等物理量的测量。
当光波通过光纤时，会与光纤中的非均匀结构相互作用，产生布里渊散射。
通过测量布里渊散射频移和光强的变化，可以得到被测物理量的信息。
3. 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来实现对温度、应变和压力等物理量的测量。
当光波通过光纤时，会与光纤中的分子进行非弹性碰撞，发生频率和能量的变化，通过测量散射光的强度和频移，可以获取被测物理量的信息。
三、光纤传感器的测试方法光纤传感器的测试方法包括静态测试和动态测试两种。
1. 静态测试静态测试是指在被测物理量保持稳定的情况下进行测量。
这种测试方法适用于不频繁变化的物理量，如温度、湿度等。
在静态测试中，通过测量光信号的强度、光谱和相位等参数来获取被测物理量的信息。
2. 动态测试动态测试是指在被测物理量变化的过程中进行测量。
光纤传感器
光纤传感器光纤传感器概述光纤作为远距离传输光波信号的媒质，最初的研究是用于光通信技术中。
用于传感器技术始于1977年，至今光纤传感器已日趋成熟。
光纤传感器与传统的传感器相比具有许多优点：灵敏度高、电绝缘性能好、结构简单、体积小、重量轻、不受电磁干扰、光路可弯曲、便于实现遥测、耐腐蚀、耐高温等特点。
可广泛用于位移、速度、加速度、压力、温度、液位、流量、水声、电流、磁场、放射性射线等物理量测量，发展极为迅速，在制造业、军事、航天、航空、航海和其他科学技术研究中有着广泛的应用。
光纤传感器一般由光源、光纤、光电元件等组成。
根据光纤传感器的用途和光纤的类型，对光源一般要提出功率和调制的要求。
常用的光源有激光二极管和发光二极管。
激光二极管具有亮度高，易调制，尺寸小等优点。
而发光二极管具有结构简单和温度对发射功率影响小等优点。
除此之外，还有采用白炽灯等作光源。
1.结构光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。
光纤的结构如图所示，它由折射率n1较大(光密介质)的纤芯，和折射率n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。
2.分类按照光从纤芯到包层的折射率的变化规律，光纤可分为阶跃型、渐变型和单模型三种。
按照光的作用分类1）物性型（功能型）光纤传感器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。
2）结构型（非功能型）光纤传感器结构型光纤传感器是由光检测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。
3）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。
其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。
根据光受被测对象的调制形式1）强度调制型光纤传感器是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。
有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。
光纤传感器专题知识
第12章 光纤传感器
（1）光纤旳构造和传播原理 ①光纤构造：
基本采用石英玻璃， 有不同掺杂，主要 由三部分构成 中心——纤芯； 外层——包层； 护套——尼龙料。 • 光导纤维旳导光能力取决于纤芯和包层旳性质， • 纤芯折射率N1略不小于包层折射率N2（N1＞
N2）。
第12章 光纤传感器
（1）光纤旳构造和传播原理 ②光纤旳传光原理：
• 被测物体逐渐远离光纤时 接受光纤照亮旳区域B2越 来越大 ；
• 当整个接受光纤被照亮时， 输出曲线到达光峰值；
• 被测体继续远离时部分光 线被反射光信号减弱，曲 线下降。
第12章 光纤传感器 反射式光纤位移传感器
第12章 光纤传感器
反射式光纤位移传感器
讨论：
• 前坡区—— 输出信号旳强度增长紧，位移输出曲 线有很好旳线性关系，可进行小位移测量；
传光型光纤传感器旳 光纤只看成传播光旳媒介， 待测对象旳调制功能是由 其他光电转换元件实现旳， 光纤旳状态是不连续旳， 光纤只起传光作用。
第12章 光纤传感器
光纤温度传感器
➢ 利用半导体材料旳能量隙随温度几乎成线性变化。 敏感元件是一种半导体光吸收器，光纤用来传播信 号。当光源旳光强度经光纤到达半导体薄片时，透 过薄片旳光强受温度旳调制温度T升高，材料吸收光 波长向长波移动，半导体薄片透过旳光强度变化。
第12章 光纤传感器
马赫——泽德干涉仪 ➢ 分束器1把激光器旳 输出光束提成两部分， 经上、下光路旳传播后 又重新合路，使其在光 检测器处相互干涉。这 种干涉仪敏捷度，可精 确到10-13nm 。但实
现 非常困难，限制在试验 室工作。
第12章 光纤传感器
光纤干涉传感器，几公里光路对光纤是轻易实现旳。 ➢ 在光源和检测器之间，干涉仪只含光纤元件，换
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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：
E1 E0 cos(45 )
由该式可知：无论是场还是电流与被测量之间 E2 =E0 cos(45 ) E0 sin(45 ) （8.4） 均不是线性相关的。 I1=E12 E02 cos 2 (45 ) I 2 =E02 sin 2 (45 )
举例：生物敏感膜+被测对象 发光元件的发光强度变化
二、光导纤维以及光在其中的传播
光纤基本结构
光线传输
传播原理：全反射
一个光纤传感器（OFS）的实例如图所示。被测量通过相互作用机制影响纤维的光学参数。
互相作用的 机制
被测量
光学参数
光学参数可能是强度或是偏振态（SOP）， 也可能是通过纤维传播的光场的相位， 根据被测量影响的参数来设计读出机构， 将参数的变化转换成电信号输出给使用者。
光纤传感器
1、光纤传感器技术的形成
光纤传感器技术是上世纪70年代末发展起来的一门崭新的技 术，是传感器技术的新成就。 光纤传感器是随着光导纤维实用化与光通信技术的发展而形 成的。光纤作为远距离传输光波信号的媒质，最早用于光通 信技术中。 在实际光通信过程中发现 ,光纤受到外界环境因素的影响。 当压力、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， 科技人员推测，如果能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。
读出机构
电信号输出
2 OFS概述——分类
有时被测量首先用通常的机制被转换为光纤更容易测量的中间被测量，从而OFS被分为内部调制型 和外部调制型。 另一种分类方法起源于被测物理量相互作用的光学参数的类型，如表所示。
读出（光学被测量） 强度型（能量） 偏振型（偏振态） 干涉型（光学相位）
光纤类型 多模（偶尔单模） 单模 单模
3、光纤传感器的组成与分类 （1）功能型光纤传感器
（2）传光型光纤传感器
光纤电流 传感器
光纤生物 传感器
温度光纤传感器 敏感头
（1）功能型光纤传感器
利用光纤本身的某种敏感特性或功能制作的传感 器，称为功能型传感器。
一根光纤伸 长，一根光 纤缩短
光程差变化
光纤应变传感器
（2）传光型光纤传感器 光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其他敏感 元件才能构成传感器，称为传光型传感器。 有两种形式：
由光阑引起的损耗也可以用位移-损耗图来处理。如果一个 刀片状光阑在宽度为g的光线缝隙之间进入的长度为w，则 总的损耗是横向位移W/2a和纵向位移g/2a引起的损耗之和。
图8-6是设计一个传感器的起点，但如果开始设计一个实际的 传感器时，就会发现与图8-5的概念性结构存在几个不合乎要求 的特征。为此，下面将由一个刀片光阑概念而研发的一个压力 传感器为例，图8-7。
其中，V0是一个尺度因子，Im0,r0是暗电流，是光电二极管的灵敏度，Pm,r是接受到的功率。将两通道相减，得到信号：
总之，利用对数转换电路，可以得到很好的线性响应， 并能引入参考通道以消除LED和光电二极管的漂移。
3.2 偏振读出
在偏振读出的OFS中，传导机制影响偏振，因此，可以通过偏振读出由被测量引起的双折射。 双折射可以分为线性的或圆的。当被测量引起的光学延迟是沿着光纤的慢轴时，得到线性双折射。如： 在应变和作用力传感器中，平行于力的轴是慢轴，且延迟正比于作用力。另一方面，如果被测量影响一 线性偏振态的方向，使得其通过一段长度为L的光纤传播后方向旋转，则得到的是圆双折射。
3.2.1 圆双折射读出
在内部调制型的传感器中的实例。 1）转矩棒基于光纤扭转而引起互易性旋转的机理。扭转是由被测的很小的重量作用而产生的。 因为可以分辨小于约为10-4rad的偏振旋转角，所以最终的OFS非常灵敏，能正确评估出作用在光纤上非常小 的转矩。
d) 若圈与导体无关，那么旋转角就严格等于零。如图 图8-15（d）所示。
3【实例】光学应变仪研究
原理：在OFS领域，一般需根据实际对象设计最佳解决方案。右图
给出的传感器中包括一个电子计数部分，它是一个电阻式应变仪，由 沉积在一基底上的一层导电薄膜构成，基底材料通常是塑料或 聚合体。当基底受到应力作用时，薄膜电阻改变，这个电阻接入 一个惠斯通电桥，从而测得应力或与之相关的量（如应变、压力、 作用力等）。如果选择光学应变仪，可能会有笔电子应变仪更优越的特性。
2、光纤传感器技术的特点
光纤传感器较传统的传感器相比有许多特点：
灵敏度高 结构简单 体积小 耗电量少 耐腐蚀 绝缘性好 光路可弯曲 便于实现远调（远距离调控）。
光纤传感器技术是一门多学科性科学，涉及知识面广泛，如 纤维光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术和微型 计算机应用等。
最后得出的干涉仪型读出OFS灵敏度越位参考结构的500倍。
通过强度、偏振态和干涉读出对不同类型光学应变仪所做的评估
3 读出结构 3.1 强度读出
如图8-5所示为用于光纤传感器的最普通的结构。 被测量M可能作用在光纤尾部的位置从而影响了光纤连接处的排列， 造成光强损失（a）。当被测量作用在插入两光纤尾部之间的光 阑上时也可引起一个变化量（b）。在（c）中，被测量与连接两 光纤尾部周围介质的折射率n=n(M)有关。折射率的变化可引起连接处 光损失的变化，从而可测得被测量的变化。
热
惯性
电 化学
OFS的优点
OFS的优缺点主要取决于光纤的结构。 通常可承受104Gy量级的高剂量辐射，一般电子元件仅为0.05× 104Gy的量级。
光纤结实从而不受机械扰动的影响；
从电的角度来说，OFS具有完全被动的结构，对电磁干扰和化学元素有免疫力。
与其他传感器相比，OFS的形状和尺寸的设计灵活，无需物理接触测量对象。
测量光电二极管的输出端，发现电流响应Iphm近似于一负指数形式，如图8-9.而并非线性，然而可以通过计算Iphm的对数 将该响应转化为线性响应。以此方式可以得到对数损耗A(dB)，它关于纵向变形或输入压力是线性的，如上图8-6以及图 8-9所示。可以稍微增加一些费用，利用光电二极管自身来完成这一转换（图8-9），为此，将在开环模式下用一个运算 放大跟随器来读光电二极管的信号。 运算放大器输出正比于光探测电流Iph= σ P= σ AP的对数。 然而，仅用单个测量通道工作，对数信号与A的关系很容易 被光源出射的功率P以及光电二极管的光谱灵敏度的漂移 所淹没。 对数电路之所以重要是因为它使我们可以引入一个参考通道 来校正漂移，而电路的复杂性和额外的费用仅有少量增加。 如图8-9，在光纤耦合器的低端，使用第二个光电二极管，作为 一个参考，产生的光电流Iphr= σr Pr(1-T) σr PLED正比于LED的发射 功率和光谱灵敏度σr 。测量通道和参考通道输出端的电压 vm和vr可分别表示为：
多模OFS：1)在封装包里排列两个光纤尾端且其中之一由外力作用的隔膜
激励。将这一器件作为参考（=1）灵敏度。第二个OFS是外部调制型传感器，在 封装包里放一个光栅，用一个瞄准镜通过光纤读出光栅的相对位置。如果 光栅为线宽约2µm的黑白光栅，那么与50µm的光纤直径相比较，灵敏因子 提高约25。 2)考虑将光纤夹在两波浪形夹具之间，夹具受制于被测力的作用，且光纤 弯曲造成的损失与作用力成正比。 3)考虑由夹具引入的双折射，为此，需要得到该效应的偏振读出。可利用一个 格兰棱镜区分偏振态，探测两个分量并计算两光场的比，从而得到与作用力 成正比的量。 4)为进一步增加灵敏度，可试图测量由作用力在光纤中产生的光程变化，即： 可试图将应变仪转换为干涉型读出的OFS.
一种是将敏感元件置于入射与接收光纤中间，在被测对象
的作用下，或使敏感元件遮断光路，或使敏感元件的光透 射率发生变化，这样，光探测器通光量便成为被测对象调 制后的信号； 举例: (1) 投币机；计数装置 (2) CO2气体传感
另一种是在光纤一端设置“敏感元件+发光元件” 的组合部件，敏感元件感受被测对象的作用并 将其转换为电信号后作用于发光元件，而发光 元SLED