光纤传感器原理及其应用知识讲解

• 1977年，美国海军研究所(NRL-National Novel Research Laboratory)开始执行光 纤传感器系统计划
光纤传感器问世
• 1983年起，国际光纤传感器会议定期召开， 光纤传感器的研究成为世界研究热点
• 各个发达国家都做了大量的研究工作，具 体如下：
美国
FOSS(Fiber Optic Sensor System) —光纤传感器系统：水声器、磁强计和 其它有关的水下检测设备
光纤传感器的基本构成
外界参量
光 光纤 信号 光纤 光探
源
调制
测器
信号 处理
光源：LD,LED,白炽灯，激光器等 信号调制：待测参量引起光信号强度、波长、频率、
相位或偏振态的变化。 光探测器：PIN,APD,CCD,光电池等。 信号处理：电路、计算机、单片机，计算机系统等。
2.光纤传感器的分类
• 按照传感原理进行划分
学 • 光全息技术—牛津大学 • 特种光纤和光学测试仪器—南安普顿大学
光纤传感器的工作原理及其分类
1.基本工作原理
将光源的光经过光纤送入调制区，在
调制区内，外界被测参量与进入调制区的 光相互作用，由于光纤中的模态损耗和相 位能够随着弯曲、微弯、压力、拉力、温 度以及其它环境因素的变化而变化，从而 使光的光学性质，如强度、波长、频率、 相位和偏振态等发生变化，成为被调制的 信号光，再经过光纤送入光探测器，并经 过解调而获得被测参数。
• 动态范围广 • 单纯的变换关系 • 信噪比高 • 重复性好 • 时间稳定性好 • 灵敏度高
2.探测信号的质量好
• 便于信号处理 • 容易传输信号 • 特性参数随时间的变化小，测量的重复性
好，没有滞后和老化现象。
3.与待测信号间的匹配性能好
• 不干扰目标状态 • 可以充分承受目标的环境 • 抗干扰性能好
光纤传感器的优点
• 灵敏度高，抗电磁干扰，耐腐蚀，防爆。 • 无源器件，不干扰被测场。 • 结构简单，体积小，重量轻。 • 便于和计算机连接，可以实现分布式传感和遥测
技术:在整个光纤长度上能连续的获得被测量的响 应，传统的几百个点传感器阵列可以用一条光纤 取代。 • 频带宽，动态范围大。 • 几何形状具有多方面的适用性，便于组合系统， 可以组成任意形状的FOS或FOS阵列，并且可与计 算机连接，实现多功能及智能化。
频率调制光纤传感器：光纤中光频率变化
时分调制：利用外界因素调制返回信号的基带 频谱，通过检测基带的延迟时间、幅度大小 的 变化来测量外界物理量的大小和空间分布。
• 按照检测对象进行划分
温度传感器 压力传感器 位移传感器 流速传感器 辐射传感器 气体传感器 光谱传感器 ……….
传感器的设计原则
1.优良的变换功能
自由空间波长，m
光通信的特点
波长短，载频高 宽带宽 大容量 能量集中 器件尺寸小 功耗低
光纤的特点
• 损耗低，0.2dB/km • 良好的传光性能 • 频带宽，传输容量大，400nm，50THz • 可塑性好； • 本身就可以作为敏感元件 • 重量轻，体积小，27g/km fiber • 资源丰富，石英 • 抗电磁干扰，不易串音，抗雷击，通信质量高 • 防爆性能好 • …...
种信息的仪器。它是感知、获取、检 测和转换信息的窗口，处于研究对象 与传输处理系统的接口位置。
传感器技术
• 利用各种功能材料实现信息检测的一门应 用技术。
• 传感器技术是检测原理、材料科学和工艺 加工三个要素的最佳结合，在发达国家被 列为核心技术之一。
• 传感技术的提高，在很大程度上有赖于揭 示物理现象的研究和材料技术的发展。
传光型光纤传感器：光纤不连续，其间 有中断，中断部分要接上其它 介质的敏感元件，可以充分利 用已有传感技术的优点。
传感型光纤传感器：“传”和“感”合为一 体，光纤连续，减少了耦合，
但是往往需要特殊光纤。
•
按照调制原理进行划分
强度调制光纤传感器：光纤中光强度变化
波长调制光纤传感器：光纤中光波长变化
偏振态调制光纤传感器：光纤中光偏振态变化 相位调制光纤传感器：光纤中光相位变化
FOG(Fiber Optic Gyroscope) —光纤陀螺：发展最快，取得成果最好 的领域之一
NRM(Nuclear Radiation Monitor) —核辐射监测
CRP(Civil Research Project) —民用研究计划
英国
• 1982年成立英国光纤传感器合作协会 • 高电压光纤电流传感器--中央电气研究所 • 光纤陀螺、水声器—伦敦大学 • 光纤传感器的多路测试设备—曼彻斯特大
ELF VF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
频段 划分
电力、电话
传 输 介 质
无线电、电视
微波
AM无线电 FM无线电 卫星/微波 同轴电缆 双铰线
红外 可见光
光纤
光纤
ຫໍສະໝຸດ Baidu
107 106 105 104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6
光纤传感器 原理及其应用
主要内容
• 概论 • 光纤传感器原理 • 光源 • 光探测器 • 光信号检测技术 • 特殊光纤 • 典型应用
第一讲 概 论
传感器
• 将待测量对象的状态变换为可处理信 号的器件或装置。
• 可以实现信息检测、转换和传输。 • 从字面上讲可比做人感知自然界物理
现象的器官。 • 从工程技术上讲，指检测被测物体某
4.总体要求
• 体积小 • 轻便 • 故障率低 • 能够大批量生产，价格便宜 • 坚固耐用，机械性能好 • 耐化学腐蚀、耐热性能好，无危害性，无
公害 • …….
光纤传感器的发展概况及其展望
1.发展概况
• 70年代中期，人们开始意识到光纤不 仅具有传光特性，且其本身就可以构 成一种新的直接交换信息的基础，无 需任何中间级就能把待测的量与光纤 内的导光联系起来。
光纤传感器 (FOS-Fiber Optic Sensor)
• 以光纤作为功能材料的传感器。 • 以光学技术为基础，将被敏感的状态以光
信号的形式取出。
通信波段划分及相应传输媒介
频率，Hz
101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015