光纤传感技术详解
《光纤传感技术》课件第2章
近年来， 国内的光纤传感研究覆盖了大型结构工程、 电 力、 石油、 化工和军事等众多领域， 基于光纤干涉仪原理、 光纤微弯原理、 法拉第效应、 Sagnac效应的各类光纤传感器 已经取得了许多研究成果， 并得到了实际应用。 很多高等院 校和研究院所也在光纤传感方面投入了大量的人力和物力， 如清华大学、 北京交通大学、 哈尔滨工程大学、 燕山大学、 武汉理工大学、 重庆大学、 上海大学等高校都在光纤传感方 面取得了许多研究成果。 目前全国从事光纤传感技术研究的 人员达近千名左右， 已形成了一支重要的研究队伍， 为我国 的光纤传感的发展贡献着重要的力量。
使有源区产生足够多的粒子数反转是使半导体激光二极管 发射激光的首要条件。 另一个条件是半导体激光二极管中必 须存在光学谐振腔， 并在谐振腔里建立起稳定的振荡。 有源 区里实现了粒子数反转后， 受激发射占据了主导地位， 但是， 激光二极管初始的光场来源于导带和价带的自发辐射， 频谱 较宽， 方向也杂乱无章。 为了得到单色性和方向性好的激光 输出， 必须构成光学谐振腔。 在半导体激光二极管中， 用晶 体的天然解理面(cleaved facets)构成法珀振腔。
图2-4 光在谐振腔中的稳定振荡
图2-5是对激光二极管起振阈值条件的简化描述， 只有当 泵浦电流达到阈值时， 高、 低能带上的电子密度差(Nc－Nv) 才达到阈值(Nc－Nv)th， 此时就产生稳定的连续输出相干光。 当泵浦超过阈值时， (Nc－Nv)仍然维持(Nc－Nv)th， 因为gth必 须保持不变， 所以多余的泵浦能量转变成受激发射， 使输出 功率增加。
半导体光源的特点有： （1） 体积小， 发光面积可以与光纤芯径相抵， 耦合效 率较高； （2） 发射波长适合在光纤中低损耗传输； （3） 可以直接进行强度调制， 即只要将信号电流注入半 导体激光器或发光二极管， 就可以得到相应的光信号输出； （4） 可靠性较高， 尤其是半导体激光器， 不仅发射功 率大、 耦合效率高、 响应速度快, 而且发射光的相干性也较好， 因此在一些高速率、 大容量的数字光纤通信系统中得到广泛 应用。
光纤传感技术的研究及应用
光纤传感技术的研究及应用随着科技的不断发展，人们对于传感技术的需求也越来越高。
而在传感技术中，光纤传感技术无疑是一种颇为先进的技术。
本文将重点介绍光纤传感技术的研究和应用。
一、光纤传感技术的定义与特点光纤传感技术是一种利用光纤传输光信号来传感物理量的技术。
相对于传统传感技术，其具有以下几个特点：1、高灵敏度和高分辨率：光纤传感技术可以输出高精度且稳定的信号，从而能够对微小的物理量变化做出快速响应。
2、抗干扰性能好：光纤传感技术的测量不会受到外界较大的电磁干扰和温度变化的影响，具有很好的抗干扰性能。
3、安装方便：由于光纤外径小、重量轻，因此方便在各种实际环境中安装，安装操作简单、灵活方便。
二、光纤传感技术的研究进展自上世纪70年代开始，光纤传感技术就逐渐开始得到关注。
如今，这项技术已经被广泛应用于医疗、航空航天、军事、地质勘探、电力、通讯等领域。
而在光纤传感技术研究领域，下面列举出几个重要的方向。
1、光纤传感器的研制：如光纤温度、应变传感器、光纤加速度传感器、光纤压力传感器等。
光纤传感器将光纤的光学特性相结合，能够实现对环境参数的灵敏监测和精确测量。
2、光纤传感器网络的研究：随着智能化技术的不断进步，光纤传感器网络也因此得到广泛研究。
光纤传感器网络结构简单、各节点可互连互通，且能够对环境的多种参数进行实时监测，广泛运用于航空、通讯、医疗等不同领域。
3、光纤微波传感技术的研究：利用光纤的响应特性实现微波电场、磁场等物理量的测量和检测。
这种光纤微波传感技术在军事、安全监视和通讯系统中有着广泛应用。
三、光纤传感技术的应用光纤传感技术已经应用于众多领域，下面列举出几个代表性的应用案例。
1、医疗领域：光纤生物传感器用于血流速度监测、生物分子检测等医疗应用，大大提高了医疗技术水平和诊治效率。
2、地质勘探领域：通过测量矿区地下水位，能够预防地下水突发泄漏，保障采矿安全。
3、电力领域：光纤缆的应用可以精确监测电力线路的振动和应力情况，提高线路故障定位精度。
光纤传感技术和应用前景
光纤传感技术和应用前景随着科技的不断进步，各行各业都在不断探索新的技术和应用。
其中光纤传感技术就是一项备受关注的技术，它被广泛应用在环境监测、医疗、航空等领域。
那么，何为光纤传感技术？又有哪些应用前景呢？一、什么是光纤传感技术？光纤传感技术是指利用光纤作为传感器，并利用光纤的光学特性进行信号的传输和分析。
通过对光纤本身进行一系列的物理或化学参数的测量，可以获得物理或化学干扰的信息。
光纤传感技术的优点在于它具有高传输质量、不会受到电磁干扰、抗干扰性强、信号处理灵活等特点。
二、光纤传感技术在环境监测中的应用前景光纤传感技术在环境监测中发挥着越来越重要的作用。
例如，光纤传感技术可以应用于海洋波浪、气候变化等环境因素的监测和预警。
此外，它还可以通过测量海水中的溶解氧、大气中的压力等参数进行环境污染的监测与控制。
未来，随着光纤传感技术不断发展，它将能在城市建设、交通运输等领域发挥更大的作用，成为环境保护的得力工具。
三、光纤传感技术在医疗领域的应用前景光纤传感技术还可以应用于医疗领域。
例如，它可以通过测量体内的温度，监测肿瘤治疗的效果。
同时，还可以应用于药品的分析和检测。
此外，光纤传感技术能够通过对人体生理和病理过程进行监测和分析，帮助医疗工作者更好的诊断和治疗各种疾病。
四、光纤传感技术在航空领域的应用前景在航空领域，光纤传感技术同样具有着重要的应用前景。
例如，它可以应用于飞机表面温度的检测。
同时，光纤传感技术还可以检测飞机发动机的状态，保障飞机的安全性。
总之，光纤传感技术具有着广泛的应用前景，在各行各业得到了广泛的应用。
随着技术的进步与完善，它还会有更多更好的应用。
相信在未来的发展中，光纤传感技术会成为科技领域不可或缺的一部分。
”。
光纤传感原理及应用技术课件
8 A 0c
1
2
光纤耦合器
光纤陀螺是近20年来发展起来的一门新技术，除了在航空航天技术中用于导 航、制导、定位外，也可用于石油钻井中跟踪钻头位置、机器人控制、汽车 以及在其他测量角度的系统中应用。与传统的机电陀螺相比，光纤陀螺具有 启动快、体积小、成本低等优光纤点传，感原因理此及应它用更技具术课有件竞争力。
B-两束光波在相遇点的光程差不能太大。
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （1）迈克尔逊(Michelson)光纤干涉仪
LD 分光镜
固定反射镜
可移动 反射镜
光探测器
LD 光探测器
固定反射镜 3dB
可动端S(t)
2k0L
光纤干涉仪与普通的光学干涉仪相比，优点在于： （1）容易准直； （2）可以通过增加光纤长度来增加光程，以提高干涉仪的灵敏度； （3）封闭式的光路，不受外界干扰； （4）测量的动态范围大。
Fiber
Fiber
图3 光纤传感器传感探头具体的结构形式 Fig.3 Diagram of the fiber-optic temperature sensor probe
图416 光吸收系数强度调制辐射量传感器
射线辐射会使光纤材料的吸收损耗 增加，使光纤的输出功率降低，从 而构成强度调制辐射量传感器光。纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （4）法布里珀罗（FabryPerot）光纤干涉仪
(c)
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
3、偏振调制型光纤传感器技术
光纤传感技术的使用教程
光纤传感技术的使用教程引言：近年来，光纤传感技术逐渐引起了人们的关注，成为了各个领域中的重要技术工具。
光纤传感技术的优点在于其高精度、高灵敏度以及无电磁干扰等特点，使其广泛应用于环境监测、健康医疗、工业生产等领域。
本文将为读者介绍光纤传感技术的基本原理和使用方法，帮助读者更好地了解和运用这一技术。
一、光纤传感技术的基本原理光纤传感技术利用光纤作为传感元件，通过光的传输和特性变化来感知和测量环境参数。
其基本原理是利用光纤中的光信号在破损、拉伸、温度等影响下的特性变化来反映和检测环境条件。
1.1 光纤传感技术的工作原理光纤传感技术基于光的干涉原理，利用光纤中的光波传输过程中的干涉现象进行测量和检测。
当环境条件发生变化时，光纤中的光波受到影响，干涉现象会发生改变，从而可以得出环境参数的变化情况。
1.2 光纤传感技术的分类光纤传感技术根据不同的测量参数可以分为多个类别，例如光纤光栅传感技术用于测量应变和温度，光纤拉力传感技术用于测量拉伸力等。
根据测量范围和精度的不同，光纤传感技术还可以分为全息光纤传感技术、时间域反射光纤传感技术等。
二、光纤传感技术的应用光纤传感技术的应用广泛，下面将从环境监测、健康医疗和工业生产领域分别介绍其应用。
2.1 环境监测领域在环境监测领域，光纤传感技术可以用来监测大气污染、水质污染等。
例如，通过测量气体成分和浓度的变化，可以实时监测空气质量；通过光纤湿度传感技术，可以检测地下水位和土壤湿度的变化情况，从而预测洪涝等自然灾害。
2.2 健康医疗领域在健康医疗领域，光纤传感技术被应用于生物医学和临床领域。
例如，通过光纤光栅传感技术可以监测人体呼吸、血压等生理参数的变化，实现远程监测和及时报警；通过光纤生物传感技术可以检测血液中的生化参数和病原菌等，提供精准的医学诊断。
2.3 工业生产领域在工业生产领域，光纤传感技术的应用涉及到工业自动化和安全监测等方面。
例如，在石油和化工产业中，光纤传感技术可以用来检测液位、温度和压力等参数，实现工艺的安全控制和自动化操作；通过光纤拉力传感技术可以监测机械设备的负荷和运行状态，提前预防故障和维护。
光纤传感技术的原理与应用前景
光纤传感技术的原理与应用前景光纤传感技术是一种基于光学原理的传感技术，通过光纤中光的传输和变化来实现对环境参数的检测和测量。
它具有高灵敏度、抗干扰性强等特点，因此在多个领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍光纤传感技术的原理，并探讨其在不同领域中的应用前景。
一、光纤传感技术的原理光纤传感技术基于光学原理，利用光在光纤中的传输和变化来实现对环境参数的检测和测量。
其原理主要包括两个方面：光的传输原理和光的变化原理。
1. 光的传输原理光纤传感技术的关键在于光的传输。
光纤是一种由玻璃或塑料等材料制成的细长柔性管状结构，内部呈光滑的反射面。
当光线进入光纤时，会在内壁上以全反射的方式进行传输，保持高度集中和远距离传输。
2. 光的变化原理光纤传感技术通过检测光在光纤中的传输和变化情况，来实现对环境参数的测量。
当光纤暴露在环境参数作用下，会导致光的某些特性（如光强、相位、波长等）发生变化。
通过测量这些变化，可以得到环境参数的信息。
二、光纤传感技术的应用前景光纤传感技术具有高灵敏度、抗干扰性强、体积小、响应速度快等优点，在多个领域具有广泛的应用前景。
1. 工业领域应用光纤传感技术在工业领域中可以应用于温度、压力、形变等参数的检测和测量。
例如，可以利用光纤传感技术实现对高温炉内温度的实时监测，以及对管道中压力变化的监测和预警。
2. 医疗领域应用光纤传感技术在医疗领域具有广阔的应用前景。
例如，可以通过光纤传感技术实现对生理参数（如心率、血氧饱和度等）的监测，从而实现对患者的远程监护和医疗服务。
3. 环境监测应用光纤传感技术在环境监测领域中可以用于大气污染、水质监测等方面。
通过将光纤传感技术应用于这些领域，可以实现对环境污染物的实时监测和预警，从而保护环境和人民身体健康。
4. 结构健康监测应用光纤传感技术在结构健康监测领域中具有重要的应用意义。
例如，可以利用光纤传感技术实现对桥梁、楼房等结构的实时监测，从而判断其健康状态并采取相应的维护措施。
光纤传感技术(全)
设备故障诊断
通过光纤传感器对设备运行过程中 的振动、温度、压力等参数进行实 时监测，实现故障预警和远程诊断 。
环境监测
在工业生产环境中，光纤传感器可 用于监测气体、液体、固体等环境 参数的变化，确保生产安全。
能源环保领域应用
油气管道监测
光纤传感器可用于油气管道的泄漏监测和定位，提高管道运输的安 全性和环保性。
02
光纤传感器类型及性能参数
点式光纤传感器
工作原理
利用光纤传输光信号，通过测量光信号在光纤中 传输时的变化来感知和测量被测物理量。
主要类型
包括反射式、透射式和干涉式等。
应用领域
广泛应用于温度、压力、位移、振动等物理量的 测量。
分布式光纤传感器
工作原理
利用光纤中传输的光信号 受到被测物理量的调制， 通过检测光信号的变化实 现分布式测量。
电力系统监测
在电力系统中，光纤传感器可用于监测电缆、变压器等设备的温度 、应变和振动等参数，确保电力系统的稳定运行。
新能源应用
光纤传感器可用于风能、太阳能等新能源设备的监测和控制，提高能 源利用效率和环保性。
生物医学领域应用
1 2 3
医疗诊断
光纤传感器可用于医疗诊断和治疗过程中，如内 窥镜、激光手术等，实现对人体内部生理参数的 实时监测。
发展历程
自20世纪70年代光纤传感技术诞生以来，经历了从实验室研究到商业化应用的逐步成熟过程。随着光 纤制造、光电子器件和信号处理技术的不断进步，光纤传感技术的性能不断提高，应用领域也不断扩 展。
光纤传感技术原理及特点
01 原理
02 高灵敏度
03 抗电磁干扰
04
05
耐腐蚀、耐高温 分布式测量
光纤传感技术
（二）应用举例
光纤温度传感器
干涉仪包括激光器、扩束器、分束器、两个显微 物镜、两根单摸光纤 ( 其中一根为测量臂，一根 为参考臂)、光探测器等。
2019年3月1日
35
原
理
干涉仪工作时．激光器发出的激光束经分束器分 别送入 长度基本相同 的测量光纤与参考光纤，将 两根光纤的输出端汇合在一起， 则两束光即产生
由斯奈尔（Snell）定律：
n 0sin 0 n1sin1 n1cos 1 n1 1 sin 1
2
n0
2θ0
B θ0 A
φ
1
D C
n2 n1
θ1
d
若满足
n2 sin1 n1
1 即 sin 0 n0
n -n
2 1
2 2
就能产生全反射。可见，光纤临界入射角的大小 是由光纤本身的性质（n1、n2）决定的，与光纤 的几何尺寸无关。
干涉，从而出现了干涉条纹。
当测量臂光纤受到温度场的作用时，产生相位变 化，从而引起干涉条纹的移动。
显然干涉条纹移动的数量将反映出被测温度的变 化。 光探测器接收干涉条纹的变化信息．并输入到适 当的数据处理系统，最后得到测量结果。
例如，一米长的石英光纤，温度变化1℃，干涉条 纹移动 17 条，而压力变化 154kPa ，才移动一根 干涉条纹。加长光纤长度可以提高灵敏度。
• 2008-10-17
三、传光损耗
• 在实际上，光纤传光中，存在费涅 耳反射损耗、光吸收损耗、全反射 损耗以及弯曲损耗等。 • 下面简要分析阶跃型多模光纤的损 耗。
2019年3月1日
21
光纤传感技术及其应用
光纤传感技术及其应用光纤传感技术是一种利用光学原理进行信息采集和传输的技术，被广泛应用于石油勘探、飞机、汽车等现代高科技领域中。
它主要依赖于光的传输和反射特性，通过光纤导线把传感器放置于需要监测的位置，通过光纤感应器的测量结果实现数据采集，其应用范围已经远远超出了传统传感技术，主要涉及到机械、气动、液动、电气等多个领域。
本文将介绍光纤传感技术的基本原理、分类以及在实际应用中的一些主要领域。
一、光纤传感技术的基本原理光纤传感技术主要依赖于光线的传输和反射特性，其中最基本的原理是光线在光纤中的传导和扩散。
当有光线被反射回来时，代表着光线所穿过的物质的特定情况，例如压力、温度，或者流量等变化，可以通过测量光的反射情况将这些信息收集起来。
光纤传感器主要由光源、光纤导线、接收器及处理单元四个部分组成，光源向光纤导线中发送光信号，经过导线的扩散，其中一部分信号会反射回来由接收器接收到，接收器收集反射回来的信号，并将其转化成需要监测的信号。
整个系统需要高精度的光学模型和控制算法来保证监测效果。
二、光纤传感技术的分类光纤传感技术根据测量信号的种类以及测量位置的不同可以分为很多不同的分类。
以下是几种主要的光纤传感技术分类：1、光纤布里渊散射传感(FBGS)光纤布里渊散射传感技术利用布里渊散射现象，将光声波信号转换为波长和相位，通过监测这些信号的变化来实现对物理量的测量。
常用于测量光学及机械应力等参数。
2、光栅与光纤光栅传感光栅与光纤光栅传感是一种基于光纤光栅的传感技术，其原理是将探头植入测量化学、温度、压力等物理量的区域，通过光纤光栅反射出来的光波进行测量。
常用于仪器仪表、气体、液体的浓度等方面。
3、微型化光纤传感器微型化光纤传感技术是现代高科技的尖端之一，其基本原理是利用光纤芯的材料特性进行设计，缩小探头的尺寸，从而提升传感器的敏感度、准确度以及可靠性。
常用于化学、生物等领域的测量。
三、光纤传感技术在实际应用中的主要领域光纤传感技术被广泛应用于现代工业、军事和科学研究等领域，在各自领域内展现出了极强的应用价值。
光纤传感技术研究及其应用
光纤传感技术研究及其应用一、引言光纤传感技术是将光纤作为传感元件，利用光纤的光学传输、反射、衍射等特性，通过获得光信号的变化来确定环境的状态。
相对于传统的电子传感技术，光纤传感技术具有更高的灵敏度、更广阔的频率响应范围和更小的干扰。
二、基本原理1.光纤的基本结构和光学传输特性光纤的基本结构包括芯、包层和外护层。
光纤芯的直径一般在几个微米至十几微米不等，光线在芯内传递，光的强度随着传播距离的增加而减弱。
光线会与光纤芯和包层的边际界面发生反射和折射，当入射角大于全反射角时，光会彻底反射。
在外护层的保护下，光纤可以在非常长的距离内传递。
2.光纤传感技术的基本原理利用光纤的光学特性，光纤传感技术可以通过测量光纤中光信号的变化来获取所要监测的物理量的信息。
例如，当光纤传感器接触到温度、压力、振动等物理量时，会引起光纤中光的反射、衍射或漫反射，从而使光信号的强度、频率、相位、偏振方向等参数发生变化。
三、技术分类及相关研究1.光纤光谱传感技术光纤光谱传感技术是指利用光谱分析的方法，通过光纤将亮度变化转换为光谱变化，从而获得所要测量的物理量信息的一种技术。
例如，利用光纤光谱传感技术可以测量气体浓度、温度等物理量。
2.光纤点式传感技术光纤点式传感技术是指利用光纤的反射、散射等特性，在光纤的特定位置设置微小反射面或散射点，从而实现对物理量的精确测量的技术。
例如，利用光纤点式传感技术可以实现对振动、形变等物理量的测量。
3.光纤光弹传感技术光纤光弹传感技术是指利用光纤和光的受力变化之间的关系，通过光纤的光学传输变化获得物理量信息的技术。
例如，利用光纤光弹传感技术可以实现对压力、重量等物理量的测量。
4.光纤干涉传感技术光纤干涉传感技术是指利用光的干涉现象，通过光纤将干涉光信号传输到检测器上，获得所要测量物理量的信息的技术。
例如，利用光纤干涉传感技术可以实现对振动、形变等物理量的测量。
四、应用领域及展望1.工业应用光纤传感技术在工业领域中被广泛应用，例如温度、压力、应变、振动等物理量的实时测量。
《光纤传感技术》课件
发展历程
追溯了光纤传感技术从非线性效应研究开始的 发展历程和里程碑事件，以及吸引人才和投资
光纤传感技术分类
光纤光栅传感技术
介绍光栅的原理和各种方 案，以及光纤光栅传感技 术在结构健康监测、生物 医学、石油勘探和环境监 测等方面的应用。
基于光纤拉曼效应的 传感技术
介绍拉曼散射等原理，以 及拉曼散射和光纤相互作 用的技术，包括其在温度、 压力、化学物质探测和医 学诊断中的应用。
光纤传感技术不受电磁干扰和化学物质影 响，具有极高的抗干扰能力。
光纤传感技术的未来发展
1
光学器件的进一步改进
随着科技的发展，光学器件的性能不
传感器的小型化和集成化
2
断提升，为光纤传感技术带来了更多 可能性。
随着智能物联设备越来越多地应用于
生活和工业领域，传感器的小型化和
集成化将是发展的一个重要趋势。
《光纤传感技术》PPT课 件
介绍光纤传感技术的定义，应用领域和优势，以及介绍本次课件将要探索的 内容分类和应用领域。让我们一起了解这项重大的技术进步！
光纤传感技术原理
基本原理
介绍了光纤传感技术的光波传输原理、光纤的 制作、以及光纤中不同波长的色散特性。
工作原理
讲解了光纤传感技术与不同物质之间的交互作 用原理，包括对温度、压力、声音、气体和液 体等的响应。
液位和流量检测
在化工和供水等行业中，使 用光纤传感技术来监测液位 和流量变化。
光纤传感技术的优势ຫໍສະໝຸດ 1 精度高2 可靠性强
光纤传感技术具有高灵敏度和高分辨率， 可提供精确的量测结果。
光纤传感技术在极端环境中依然可以工作 正常，并具有长时间的稳定性。
3 长寿命
4 抗干扰能力强
光纤传感技术概述
光纤传感技术概述光纤传感技术的主要原理是基于光的传输特性。
在光纤中，光信号可以通过衍射、吸收、散射等现象与外界物理量发生耦合，从而实现对外界物理量的测量。
光纤传感技术可以通过测量光强、相位、频率等参数来实现对温度、压力、应变、振动等物理量的感知。
光纤传感技术的应用范围广泛。
在工业领域，光纤传感技术可以应用于温度、压力、流量、振动等参数的测量和检测，用于工艺控制、设备状态监测等方面。
在医疗领域，光纤传感技术可以应用于体温监测、血氧测量、药物输送监控等方面，具有非侵入性、远程监测等优势。
在环境监测领域，光纤传感技术可以应用于水质、大气污染、土壤污染等参数的监测，用于环境保护和污染治理。
光纤传感技术具有许多优势。
首先，光纤传感技术具有高灵敏度，能够实现对微小变化的测量和检测，如微弱光信号的检测。
其次，光纤传感技术具有宽动态范围的特点，在大范围内能够实现对物理量的测量。
再次，光纤传感技术具有抗干扰能力强，能够减少外界干扰对测量结果的影响。
此外，光纤传感技术还具有体积小、重量轻、安装方便等优点，适用于复杂环境下的实时监测。
光纤传感技术有多种实现方式。
常见的方式包括传统的干涉型光纤传感技术、散射型光纤传感技术和纤芯改变型光纤传感技术等。
干涉型光纤传感技术是利用光在光纤中传播时产生的干涉现象来测量物理量，例如光纤干涉仪和光纤布拉格光栅。
散射型光纤传感技术是利用光在光纤中发生散射现象来测量物理量，例如光纤雷达和光纤散射光栅。
纤芯改变型光纤传感技术是通过改变光纤的纤芯特性来感知物理量，例如光纤折射率传感技术和光纤折曲传感技术。
总之，光纤传感技术是一种基于光的传输原理的感知技术，具有高灵敏度、宽动态范围、抗干扰能力强等特点。
光纤传感技术在工业、医疗、环境监测等领域具有广泛的应用前景，是一项有着巨大发展潜力的技术。
新型光纤传感技术及其应用
新型光纤传感技术及其应用光纤传感技术是近年来发展迅猛的一项技术，其应用领域非常广泛，特别是在安全监测、油气管道监测、建筑结构监测等领域得到了广泛的应用。
新型光纤传感技术是光纤传感技术的新发展方向，其应用效果更为可靠和精准。
本文将简单介绍新型光纤传感技术，包括其基本原理，应用领域，技术发展趋势和未来发展方向。
一、基本原理新型光纤传感技术的核心是利用光纤传输光信号，并在光纤上进行测量。
光纤传感器包括传输光纤和感测元件两个部分，感测元件通过改变光场强度或位相来响应待测信号，这样可以实现对物理量的测量。
新型光纤传感技术使用的是分布式光纤传感原理，通过在光纤上安装一定的感应装置，使光信号产生散射，进而实现对待测物理量的监测和控制。
二、应用领域1.油气管道监测油气管道的监测是新型光纤传感技术的主要应用领域之一。
油气管道的长距离传输需要对其进行长期监测，以保证管道的安全性和完整性。
利用新型光纤传感技术可以对整个管道进行实时监测和安全预警，如断裂、泄漏、过载等情况即时报警。
2.建筑结构监测新型光纤传感技术可以应用于建筑结构监测，可以实时监测建筑物的变形和变化，如地震等天然灾害的影响和建筑物外力变形的影响，从而保障建筑物的安全。
3.轨道交通监测轨道交通运输是城市交通中一个重要的组成部分，新型光纤传感技术可以使用在轨道交通安全监测中，如对轨道变形、列车运行状态等进行实时检测，提前预警，从而保证乘客安全！三、技术发展趋势1、自适应光纤传感技术为了满足特殊环境的实时监测需求，传统光纤传感技术的自适应性不强，容易产生误报。
新型自适应光纤传感技术可以实时对光纤传感网络进行监测和优化，符合实际使用需求。
2、新型光纤散射技术新型光纤散射技术是由欧洲研究人员已经开发出来的一项技术，采用新型微结构光纤进行信号的传递，AC激光和超短脉冲激光的应用，极大地提高了光纤传感技术的灵敏度和分辨率，并且可应用于太空科学研究等方面。
四、未来发展方向1、基于人工智能的光纤传感网络随着人工智能的普及和发展，新型光纤传感技术可以与人工智能进行更深度的结合，做到自学、自适应和自预警，对人员的安全性保证更加可靠。
光纤传感技术
偏振调制，是指外界信号（被测量）通过一定的方式使光纤中光波的偏振面发生规律性偏转（旋光）或产生 双折射，从而导致光的偏振特性变化，通过检测光偏振态的变化即可测出外界被测量。
外界信号（被测量）通过选频、滤波等方式改变光纤中传输光的波长，测量波长变化即可检测到被测量，这 类调制方式称为光波长调制。
目前用于光波长调制的方法主要是光学选频和滤波。传统的光波长调制方法主要有F-P干涉式滤光、里奥特 偏振双折射滤光及各种位移式光谱选择等外调制技术。近20多年来，尤其近几年迅速发展起来的光纤光栅滤光技 术为功能型光波长调制技术开辟了新的前景。
混凝土构件的长期挠度和弯曲是人们感兴趣的一个力学问题，为此已研制出能测量结构弯曲和挠度的微弯应 变光纤传感器，并用一根光纤连接整个结构不同位置上的传感器进行同时监测，每个传感器的位置可用OTDR来识 别。光纤传感器还能探测混凝土结构内部损伤。在正常荷载作用下，由于钢筋阻止干化收缩或温度引起的体积变 化都会引起裂缝，裂缝的出现和发展可以通过埋入的光纤中光传播的强度变化而测得。
技术介绍
光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；在一定条件下，光纤特别容 易接受被测量或场的加载，是一种优良的敏感元件；光纤本身不带电，体积小，质量轻，易弯曲，抗电磁干扰， 抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。因此，光纤传感技术 一问世就受到极大重视，几乎在各个领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。
光纤传感技术中使用的光相位调制大体有三种类型。一类为功能型调制，外界信号通过光纤的力应变效应、 热应变效应、弹光效应及热光效应使传感光纤的几何尺寸和折射率等参数发生变化，从而导致光纤中的光相位变 化，以实现对光相位的调制。第二类为萨格奈克效应调制，外界信号（旋转）不改变光纤本身的参数，而是通过 旋转惯性场中的环形光纤，使其中相向传播的两光束产生相应的光程差，以实现对光相位的调制。第三类为非功 能型调制，即在传感光纤之外通过改变进入光纤的光波程差实现对光纤中光相位的调制。
光纤传感技术的原理和应用
光纤传感技术的原理和应用随着科技的发展，光纤传感技术在工业、医疗等领域得到广泛应用。
本文将讨论光纤传感技术的原理、种类以及应用。
一、光纤传感技术的原理光纤传感技术是通过利用光在光纤中的传输特性，实现对物理或化学量的测量。
在光线透过光纤时，由于光纤的折射率比周围介质的折射率高，光线被反射回到光纤中。
通过利用这种特性，我们可以实现很多测量。
例如，通过光纤传感技术，我们可以测量温度、压力以及化学成分等，因为这些参数会改变光纤内的光线反射和散射特性。
这些变化可以被检测到，并通过这些变化来分析所需参数的数值。
二、光纤传感技术的种类1. Fabry-Perot干涉仪Fabry-Perot干涉仪是一种基于干涉原理的光纤传感技术。
Fabry-Perot干涉仪由两个反射镜组成，两个反射镜之间紧贴一段光纤。
在Fabry-Perot干涉仪中，光线通过光纤，并在两个反射镜之间反射。
这种反射过程会形成一个气膜。
当光线通过气膜时，光线的干涉图案会发生变化，这种变化可以用来测量温度、压力等参数。
2. Bragg光纤光栅传感器Bragg光纤光栅传感器是一种基于光栅原理的光纤传感技术。
Bragg光纤光栅传感器利用了光线在光栅中的反射和散射特性。
通过控制光栅的形状和尺寸，我们可以实现对物理量的精确测量。
在Bragg光纤光栅传感器上，光纤中存在着周期性变化的折射率。
这些变化可以产生光的反射和散射，在反射和散射中，我们可以测量需要的物理量。
三、光纤传感技术的应用1. 工业领域在工业生产中，光纤传感技术可以用来监测和控制工厂中的生产过程。
例如，我们可以使用温度传感器来检测某个机器的温度，以确定其是否需要维修或保养。
2. 医疗领域在医疗领域，光纤传感技术可以用于监测病人的健康状况。
例如，我们可以使用压力传感器来监测病人的血压，以及在手术时使用温度传感器来确保病人的体温稳定。
3. 环境检测光纤传感技术可以用于环境监测。
例如，我们可以使用化学传感器来检测破坏环境的化学物质的存在。
光纤传感技术的发展及应用
光纤传感技术的发展及应用光纤传感技术是一种多功能、高精度、可靠性强的测量技术，它可以利用光纤传输、测量和检测信号，以检测传感器的参数，以及实时监测环境参数变化。
近年来，光纤传感技术被广泛应用于自动控制、智能监测、计算机网络、环境检测、医疗保健以及军事领域。
1、光纤传感技术原理光纤传感技术是利用光纤作为信息传输媒介来实现传感器信号采集的。
光纤传感器的传感特性基于其能够将光信号转换成电信号的特殊特性而被开发出来。
正常的光纤传感系统由光源模块，光纤连接模块，传感器元件，数字处理模块和计算机接口板组成。
当光源发出的光束照射到传感器元件上时，它将传感器元件，料体上的参数变化同时转换成光信号以及电信号，最后传输到光纤传感系统，通过数字信号处理模块，将光信号转换成有意义的数指，可用于控制和监测。
2、光纤传感技术的发展及应用自20世纪80年代以来，光纤传感技术发展迅猛，因其具有高灵敏度、体积小、重量轻、抗环境恶劣、可靠性高的优点，现在已经在各种领域应用广泛。
纤传感技术主要应用在自动控制领域，如机器人，机械手，机器人导航，工厂自动化，航空航天，智能电网和节能减排等。
同时，也被用于智能监测、实时监测环境参数变化，如地下子午线监测，水资源管理，环境监测，火山灾害监测，地震监测，台风监测以及地球物理和空间物理等。
此外，光纤传感技术还可用于生物医学和军事等领域的应用，比如军事技术监测，生物信息传输，医疗器械监测，生物传感等。
3、光纤传感技术应用面临的挑战尽管光纤传感技术已经发展得很好，但其应用仍面临许多挑战。
首先，光纤传感器设备贵，在大规模应用时，费用成本仍很高，尤其是在室外应用中。
其次，光纤传感技术检测结果的准确性受到光纤性能的影响，由于光纤传输过程中发生的损耗，可能会降低传感器的精度。
另外，随着技术的发展，光纤传感器也可能受到干扰，破坏其正常工作。
4、未来光纤传感技术的发展趋势随着技术的发展，光纤传感技术的发展趋势是多样性与互联性。
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• 光弹效应 解调原理：检偏器
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普克尔效应（电光效应）
当压电晶体受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电 场时，晶体将呈现双折射现象，这种现象被称为Pockels效应， 如下图所示。并且，这种双折射正比于所加电场的一次方在晶 体中，两正交的偏振光的相位变化为
3 n0 r3U L 0 d
检测原理
应力应变效应：光纤长度变化 光弹效应:光纤芯折射率变化 磁致伸缩效应：光纤芯直径变化 声光效应 光热效应 萨格纳克(Sagnac)效应
被调制的 光信号
45
o
o
29
e
o
e
光束传播示意图
两光分量对应的振幅分别为：
轴1光分量振幅: A sin 4 轴2光分量振幅: A cos 4
A sin 4
轴1
参考矢量
A
A
O
4
A sin 4
光纤传感技术
1
光纤发展历史
1870年，英国物理学家丁达尔的实验
1960-光纤发明
1966-华裔科学家“光纤之父”高锟 预言光纤将用于通信。 1970-美国康宁公司成功研制成传输损耗只有20dm/km的光纤。 1977-首次实际安装电话光纤网路 1978-FORT在法国首次安装其生产之光纤电 1979-赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤，被誉为“中
其中：n0 — 正常折射率；re — 电光系数；U — 加在晶体片上的横向电压； λ— 光波长；L — 光传播方向晶体长度；d — 电场方向晶体厚度。
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Pockels效应及应用
法拉第效应（磁光效应）
某些物质在磁场作用下，线偏振光通过时其振动面会发生旋转， 这种现象称为法拉第效应。光的电矢量E旋转角θ与光在物质中 通过的距离L和磁场强度H成正比，即
•散射损耗：光纤材料的不均匀性和尺寸缺陷，如瑞利散射； •其他损耗：如光纤弯曲也引起散射损耗。
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部分光纤传感器利用了光纤的损耗特性。
光纤的损耗
过渡族金属离子 杂质离子的吸收 OH- 离子 吸收损耗 本征吸收 红外吸收 折射率分布不均匀 紫外吸收
损耗
散射损耗
制作缺陷
芯-涂层界面不理想 气泡、条纹、结石 瑞利散射
此时出射光强为：
KPL I I 0 sin I 0 sin 2
2 2
光弹效应示意图
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偏振调制的解调原理
解偏过程：如图为偏振光分束器， 光线2 方解石组成。两棱镜光轴垂直，光线 被调制的 垂直入射到No.1，光束不分开，但o 光信号 光1和e光1速度不同。 到达No.2时，光轴垂直，o光1和 光线 1 e光1的角色互换，o光2对应的折射率 从n0到ne，e光2对应的折射率从ne到 渥拉斯顿棱镜解调原理 n0，ne<n0，所以两光束分开。偏振角 为θ。
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功能型光纤传感器
这类传感器利用光纤本身对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、 偏振态等光特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。
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。 20
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光纤中的重要参数
3、光纤的归一化频率V
少而引入的一个特征参数。 其定义为：
V 2r
2
归一化频率 是为表征光纤中所能传播的模式数目多
2r
n1 n2
2
NA k0 rn1 2
其中， r——是光纤的纤芯半径； λ——是光纤的工作波长； n1和n2 ——分别是光纤的纤芯和包层折射率； k0 ——真空中的波数； ∆ ——光纤的相对折射率差。
•波导色散：波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的色散。取决于波
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导尺寸和纤芯包层的相对折射率差。
波导色散和材料色散都是模式的本身色散， 也称模内色散。对于多模光纤，既有模式色 散，又有模内色散，但主要以模式色散为主。 梯度型光纤中模式色散大为减少。
而单模光纤不存在模式色散，只有材料色 散和波导色散，由于波导色散比材料色散小 很多，通常可以忽略。采用激光光源可有效 减小材料色散的影响。
按光纤组成材料划分
阶跃型光纤（SIF） 光纤种类 按光纤纤芯折射率分布划分 渐变型光纤（GIF） W型光纤 单模光纤（SMF）
按光纤传输模式数划分 多模光纤（MMF ）
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光纤的纤芯折射率剖面分布
2b 2b 2b 2c
2a
2a
2a
n
n
n n1
n1
n2 0 a b r 0
n1
n2 a b r 0 a n3
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光纤传感器的分类
光纤传感器一般可分为两大类： 一类是功能型传感器（Function Fiber Optic Sensor），又称FF 型光纤传感器；利用光纤本身感受被测量变化而改变传输光的 特性，光纤既是传光元件，又是敏感元件。 另一类是非功能型传感器（Non-Function Fiber Optic Sensor）， 又称NF型光纤传感器。利用其他敏感元件感受被测量的变化， 光纤仅作为光信号的传输介质。
NA n0 sin 0 n1 n2 n1 2
光纤参数数值孔径的意义？？
10
2
2
光纤中的重要参数
2、光纤中的模式(Fiber Mode)
电磁波的传播遵从麦克斯韦方程，而在光纤中传播的电 磁场根据由光纤结构决定的边界条件，可求得满足波动方程 的特定的离散的解，而某一个解代表许多允许沿光纤波导传 播的波，每个允许传播的解称为光纤的模式，每个波具有不 同的振幅和传播速度。 光纤中可能传播的模式有横电波、横磁波和混合波。 （1）横电波TEmn：纵轴方向只有磁场分量；横截面上有 电场分量的电磁波。中下标 m表示电场沿圆周方向的变化周 数，n表示电场沿径向方向的变化周数。 （ 2 ）横磁波 TMmn: 纵轴方向只有电分量；横截面上有磁 场分量的电磁波。 （ 3 ）混合波 HEmn 或 EHmn: 纵轴方向既有电分量又有磁场 分量，是横电波和横磁波的混合。 无论哪种模式，当 m 和 n 的组合不同，表示的模式也不同。
A
24
2、偏振调制
光是一种横波。光振动的电场矢量E 和磁场矢量H 和光线的传 播方向s 正交。按照光的振动矢量E、H 在垂直于光线平面内矢 量轨迹的不同，又可分为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和 部分偏振光。偏振调制就是利用光偏振态的变化来传递被测对 象的信息。
调制原理： • 普克尔Pockels效应(电光效应)
4
光纤的临界角
对应光纤的入射角临界值为：
2 n0 sin 0 n12 n2 NA
5
n2 c arcsin( ) n1
渐变光纤的导光原理示意图
在渐变光纤中光线传播的轨迹近似于正弦波。
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光纤的分类
石英系列光纤（以SiO2为主要材料） 多组分光纤（材料由多组成分组成） 液芯光纤（纤芯呈液态） 塑料光纤（以塑料为材料）
归一化频率越大，光纤所允许传播的模式越多，当 V<2.405时，光纤中只允许一个模式传播，即基模。
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模式特性
V 0--2.405 2.405--3.832 3.832--5.136 5.136--5.520 5.520--6.380 . .单模传输条件 HE11 HE21, HE12, HE41, HE22, . . 模式 TE01, TM01 HE31, EH11 EH21 TE02, TM02 导模总数 2 2+4=6 6+6=12 12+4=16 16+4=20 . .
2 r 2 2 2 r c n1 n2 n1 2 Vx Vc
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光纤的损耗特性
损耗的定义 当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小， 这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数α表示：
Pi 10 lg L Po
(单位：dB/km)
损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择。 损耗的种类 •吸收损耗：来源于光纤物质和杂质的吸收作用；
n2
c b r
（a）阶跃光纤
8
（b） 渐变光纤
（c）W型光纤,Numerical Aperture）
当光线在纤芯与包层界面上发生全反射时，相应的端面入射 角为光纤波导的孔径角（或端面临界角）。即只有光纤端面入 射角大于的光线才能在光纤中传播，故光纤的受光区域是一个 圆锥形区域，圆锥半锥角的最大值就等于孔径角。 为表示光纤的集光能力大小，定义光纤波导临界入射角的正弦值 为光纤的数值孔径（NA），即：
光纤传感器的分类列表
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2 光纤的光波调制技术
强度调制
相位调制
偏振调制 频率调制
波长调制
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1、强度调制：
IS
信号
光源 入射光 强度调制
t
出射光
光探测器 输出ID
Ii t
IO t 强度调制原理
ID
t
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强度调制是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，而导致光强度发生变化来实现敏 感测量的。
国光纤之父” 1990-区域网路及其他短距离传输应用之光纤 2005 FTTH(Fiber To The Home)光纤直接到家庭 2009 高锟获得诺贝尔物理学奖。
2
光纤传感器始于1977年，目前已进入研究与应用并 重阶段。
主要优点： ① 灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可挠性强、可实 现不带电的全光型探头。