光纤传感技术ppt
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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。
光纤传感器的分类PPT课件全
NA sini n12 n22
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。 大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。 但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。
2. 光纤模式
按传输模式分为单模光纤和多模光纤。
阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为
4.4 光纤传感器
4.4.1 光导纤维的结构和导光原理 4.4.2 光导纤维的主要参数 4.4.3 光纤传感器结构原理 4.4.4 光纤传感器的分类 4.4.5 光纤传感器的特点 4.4.6 光纤传感器的应用
4.4.1 光导纤维的结构和导光原理
圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略 大于包层的折射率（n2<n1）
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。
4.4 光纤传感器
4.4.1 光导纤维的结构和导光原理 4.4.2 光导纤维的主要参数 4.4.3 光纤传感器结构原理 4.4.4 光纤传感器的分类 4.4.5 光纤传感器的特点 4.4.6 光纤传感器的应用
4.4.4 光纤传感器的分类
传感器
光学现象
被测量
光纤
分类
干
光纤传感器相位调制
干涉（磁致伸缩）
涉
干涉（电致伸缩）
型
Sagnac效应
光弹效应
干涉
电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移 温度
SM、PM
a
SM、PM
a
SM、PM
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。 大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。 但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。
2. 光纤模式
按传输模式分为单模光纤和多模光纤。
阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为
4.4 光纤传感器
4.4.1 光导纤维的结构和导光原理 4.4.2 光导纤维的主要参数 4.4.3 光纤传感器结构原理 4.4.4 光纤传感器的分类 4.4.5 光纤传感器的特点 4.4.6 光纤传感器的应用
4.4.1 光导纤维的结构和导光原理
圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略 大于包层的折射率（n2<n1）
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。
4.4 光纤传感器
4.4.1 光导纤维的结构和导光原理 4.4.2 光导纤维的主要参数 4.4.3 光纤传感器结构原理 4.4.4 光纤传感器的分类 4.4.5 光纤传感器的特点 4.4.6 光纤传感器的应用
4.4.4 光纤传感器的分类
传感器
光学现象
被测量
光纤
分类
干
光纤传感器相位调制
干涉（磁致伸缩）
涉
干涉（电致伸缩）
型
Sagnac效应
光弹效应
干涉
电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移 温度
SM、PM
a
SM、PM
a
SM、PM
光纤传感器 ppt
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。
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。
例：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
二、光导纤维以及光在其中的传播
在实际系统中，用光纤输出端面作为R面。
信号光束只受到垂直振动分量U⊥cosωt的调制。 由于振动体使反射点靠近或远离光纤，从而改 变了信号光束的光路长度，相应改变了信号光 与参考光的相对相位，产生了相位调制。信号 光与参考光之间的相位差为：
4
U cost
式中，λ为激光波长，ω为光波圆频率。
光纤传感器
目 录
一、概论 二、光导纤维以及光在其中的传播 三、光纤传感器的光源 四、光纤传感器应用范例
光纤传感技术全92页PPT
光纤传感技术全
6
、
露
凝
无
游
氛
ห้องสมุดไป่ตู้
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
1
0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
6
、
露
凝
无
游
氛
ห้องสมุดไป่ตู้
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
1
0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
《分布式光纤传感器》课件
03Leabharlann 交通用于监测高速公路、 铁路和桥梁的结构健 康，确保交通安全。
04
环保
用于监测土壤、水和 空气的质量，以及污 染源的定位。
分布式光纤传感器的优势与局限性
优势 同时测量沿光纤分布的温度和应变等物理量； 高精度、高灵敏度和高分辨率；
分布式光纤传感器的优势与局限性
测量距离长，可实现连续监测； 耐腐蚀、抗电磁干扰和本征安全。
分布式光纤传感器的成本和稳定性问题也需要得到解决，以便更好地推广和应用。
分布式光纤传感器与其他传感器的集成和协同工作需要进一步研究，以提高监测系 统的整体性能和稳定性。
对未来研究和应用的建议
鼓励产学研合作，加强分布式 光纤传感器技术的研发和应用 研究，推动技术进步和产业发
展。
加强国际合作与交流，借鉴 国外先进技术和发展经验， 提高我国分布式光纤传感器
技术的国际竞争力。
鼓励企业加大投入，推动分布 式光纤传感器技术的商业化应 用，拓展应用领域和市场空间
。
THANKS
感谢观看
开发新型分布式光纤传感器技术
新材料
探索新型的光纤材料和光学器件，以 提高分布式光纤传感器的性能和功能 。
新原理
研究新的分布式光纤传感原理和技术 ，以拓展其应用领域和解决现有技术 的局限性。
05
结论
Chapter
分布式光纤传感器的重要性和应用前景
分布式光纤传感器在长距离、大范围监测中具 有明显优势，可广泛应用于石油、天然气、电 力等行业的安全监测和预警系统。
预警系统
利用分布式光纤传感器监测建筑物周围的环境变化，如地震、风力和 温度等，及时发出预警，预防潜在的自然灾害和人为破坏。
04
光纤传感原理及应用技术课件
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （3）萨格纳克（Sagnac）光纤干涉仪
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
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
光纤传感技术课件：光纤传感系统
9
光纤传感系统
我国光纤传感的进一步发展需要从光纤基础产业、 光电 基础产业和光纤传感技术全方位综合发展， 才有可能真正创 造我国的尖端传感技术。 目前， 国内至少有二十几家公司转 向研究光纤传感器的开发和生产， 其研究的种类繁多， 达到 了历史上的最好时期。 相信在未来的几年内， 光纤传感技术 的发展有望带动并形成一个与光纤和光电产品相关的产业群， 它必将带动我国在光纤制造、 光纤器件和光电器件的生产以 及相关仪器设备的制造等众多领域的技术进步， 为促进我国 的工业和军事领域的尖端技术革新和国民经济的发展贡献力量。
18
光纤传感系统
双异质结， 主要是因为在有源区的两边有两个不同材料 的合金层。 这种结构是从半导体激光器的研究中发展起来的。 通过将各种不同材料的合金层夹在一起， 所有的载流子和辐 射光都将局限在中心有源层。 相邻层间的带隙差限制了载流 子， 而相邻层间的折射率差使辐射光约束在中心有源层。 这 就使得它具有高效率和高辐射强度， 如图2-2所示。 这样会使 阈值电流降低， 发热现象减轻， 可在室温状态下连续工作。 为了进一步降低阈值电流， 提高发光效率， 以及提高与光纤 的耦合效率， 常常使有源区尺寸尽量减小，通常ω=10 μm， d=0.2 μm，L=100 μm~400 μm。
16
光纤传感系统
图2-1 两种基本LED结构
17
光纤传感系统
在面发光二极管中， 有源发光面与光纤轴垂直， 如图21(b)所示。 这种结构中， 在器件的衬底腐蚀了一个小孔， 然 后使用环氧树脂材料固定插入小孔的光纤， 这样能以尽可能 高的效率接收发射出来的光。
边发光二极管的辐射光要比面发光二极管的具有更好的方 向性。 同质结LED， 即只有一个简单PN结， 且P区和N区都 是同一物质。 LED阈值电流密度太大， 工作时发热非常严重， 只能在低温环境、 脉冲状态下工作。 为了提高激光器的功率 和效率， 降低同质结LED的阈值电流， 人们研究出了双异质 结的LED， 如图2-2所示。
光纤传感系统
我国光纤传感的进一步发展需要从光纤基础产业、 光电 基础产业和光纤传感技术全方位综合发展， 才有可能真正创 造我国的尖端传感技术。 目前， 国内至少有二十几家公司转 向研究光纤传感器的开发和生产， 其研究的种类繁多， 达到 了历史上的最好时期。 相信在未来的几年内， 光纤传感技术 的发展有望带动并形成一个与光纤和光电产品相关的产业群， 它必将带动我国在光纤制造、 光纤器件和光电器件的生产以 及相关仪器设备的制造等众多领域的技术进步， 为促进我国 的工业和军事领域的尖端技术革新和国民经济的发展贡献力量。
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光纤传感系统
双异质结， 主要是因为在有源区的两边有两个不同材料 的合金层。 这种结构是从半导体激光器的研究中发展起来的。 通过将各种不同材料的合金层夹在一起， 所有的载流子和辐 射光都将局限在中心有源层。 相邻层间的带隙差限制了载流 子， 而相邻层间的折射率差使辐射光约束在中心有源层。 这 就使得它具有高效率和高辐射强度， 如图2-2所示。 这样会使 阈值电流降低， 发热现象减轻， 可在室温状态下连续工作。 为了进一步降低阈值电流， 提高发光效率， 以及提高与光纤 的耦合效率， 常常使有源区尺寸尽量减小，通常ω=10 μm， d=0.2 μm，L=100 μm~400 μm。
16
光纤传感系统
图2-1 两种基本LED结构
17
光纤传感系统
在面发光二极管中， 有源发光面与光纤轴垂直， 如图21(b)所示。 这种结构中， 在器件的衬底腐蚀了一个小孔， 然 后使用环氧树脂材料固定插入小孔的光纤， 这样能以尽可能 高的效率接收发射出来的光。
边发光二极管的辐射光要比面发光二极管的具有更好的方 向性。 同质结LED， 即只有一个简单PN结， 且P区和N区都 是同一物质。 LED阈值电流密度太大， 工作时发热非常严重， 只能在低温环境、 脉冲状态下工作。 为了提高激光器的功率 和效率， 降低同质结LED的阈值电流， 人们研究出了双异质 结的LED， 如图2-2所示。
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
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
第6章 光纤传感技术ppt课件
12
①2a1 光纤端面球透n镜2 耦合
② 柱透镜耦合(n最1 大2an 约50%γ左2 右)
2a3
③ 凸透镜耦合(一n2 般在25a0%c 左右2a2 )
2a1
④
自聚焦光纤n1 (一般2an 在50%θγ1左右γ)3
S拆开点d
γn
r
激光器
自聚焦透镜θ
圆锥形光纤（透镜）耦合
光纤
2an 光纤
端z 面球R透镜耦合示意
引言
光纤技术理论的不断完善，光纤制造工艺的日臻 成熟，各种类型的光纤元器件逐步商品化，为光纤传 感技术的发展奠定了理论基础和物质基础。
由于光纤有良好的传输光的特性(衰减系数已达到 0.14dB/km)，有比微波高6个数量级的宽频带，再加上 光纤本身就是一种敏感元件，光在光纤中传输时振幅 、相位、偏振态等将随着检测对象的变化而变化，因 此，光纤可以用于制作优良的传感器。
1）直接耦合 所谓直接耦合，就
是把一根平端面的光纤 直接靠近光源发光面放 置。一般耦合效率大约 为20%。
S 2θc
2θ
S—光源 θ—光源发光张角 θc—光纤接收角
光纤与光源直接耦合
.
02.05.2020
11
2）透镜耦合 透镜耦合方法可以提高耦合效率，也可能不提高,
这里有一个耦合效率准则概念。 对于lambet型光源(例如发光二级管)，不管中间加
什么样的系统，它的耦合效率不会超过一个极大值:
maxSf /SeNA2
当发光面积Se大于光纤接收面积Sf 时，加任何光学 系统都没有用，最大耦合效率可以用直接耦合的办法得
到。当发光面积小于光纤接收面积时，加上光学系统是
有用的，可以提高耦合效率，而且发光面积越小，耦合
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
光纤传感技术课件：相位调制型光纤传感器
增加传感光纤长度 l 的方法， 可以提高相位检测的灵敏度。
实际上采用反射镜使光在光纤中传输两次的方法， 可以在没
有增加传感光纤长度的情况下， 达到相位延迟提高为2f效果。
11
相位调制型光纤传感器
因此采用此方法得到的相位差可以表示为
(5.1-12)
有两种反馈装置可以实现光在光纤中传输两次的目的： 其一， 在传感光纤端面镀以高反射系数的反射膜， 使得光 纤中的光到达端面后以极高的比例重新耦合到光纤中； 其 二， 在光纤反射端接法拉第旋转镜(FRM)， 使得光被反射 并重新耦合到传感光纤的同时， 其偏振面发生90°的旋转。
31
相位调制型光纤传感器
这个相位延迟量可表示为φ=（8πA／λ0c）Ω。 式中， Ω为
旋转率， A是光路围成的面积， c是真空中的光速， λ0是真空中的光波长。 这样， 通过探测器检测干涉光强的变 化， 便可确定旋转角速度。 因此， 萨格纳克干涉仪是构成光 纤陀螺仪的基础。 光纤陀螺仪的结构见图5-7。 其灵敏度比空 气光程的萨格纳克干涉仪要高几个数量级。 首先是由于采用 若干圈光纤增加了干涉仪环的有效面积， 其次是由于利用了 电子探测技术， 其相移表达式为φ=(8πNA／λ0c)Ω， 式中， N 是光纤环的匝数。
2
相位调制型光纤传感器
图5-1 相位调制型光纤传感器的工作原理图
3
相位调制型光纤传感器
确切地说， 相位调制型光纤传感器通过待测能量场对通 过一段单模光纤传输的相干光进行相位调制, 其相位的变化就 反映了待测场的大小。 由于光敏探测器无法响应激光的高频 率, 所以待测场所产生的相位调制不可能直接被探测到, 通常应 先把相位调制转换为振幅调制, 而后由探测光强的变化即可得 知相位变化。
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光纤传感器的分类 （1）功能型光纤传感器：这种类型主要 使用单模光纤。光纤不仅起传光作用， 同时又是敏感元件，即光纤同时具有 传、感两种功能。 （2）非功能型光纤传感器：光纤仅起传 光作用。
三 长周期光纤光栅传感器 的发展现状
长周期光纤光栅是近几年才出现 的一种新型光纤无源器件，它在某些 方面有比光纤布拉格光栅更好的光学 特性，现已在光纤通信和光纤传感等 方面发挥越来越重要的作用。
光纤传感器的构成 光纤传感器的基本组成除光纤以外， 还有光源和光电元件。
光源：激光二极管（发射波段为）、 发光二极管（）、白炽灯。 光电元件：常用如下4种光电元件作探 测器，普通光电二极管、雪崩光电二 极管、肖特基光电二极管、光电晶体 管，有时也用电荷耦合器件、光电导 体和光电倍增管等。
光纤传感器种类繁多，可以称为万能 传感器。目前可以证明可作为加速度、 角加速度、速度、角速度、位移、角 位移、压力、弯曲、应变、转矩、温 度、电压、电流 、液位、流量、流速、 浓度、pH值、磁场、声强、光强、射 线等70多个物理量的传感器。但是目 前实际应用的还很少，因此是一个发 展潜力极大的领域。
自从Hill等人于1978年首次研制出世界 上第一只光纤光栅—光纤布拉格光栅 以来，无论是光纤的写入方法、理论 研究还是应用都获得了飞速发展。国 内外对长周期光纤光栅的研究和应用 研究已经成为一个新的研究热点。目 前对长周期光纤光栅的研究主要集中 在以下几个方面。
光纤传感技术
一 光导纤维基础知识
光纤的结构：光纤由纤芯、包层及外套组 成。
光纤的种类：根据折射率的变化，光纤被 分为阶跃型和梯度型两种。根据光纤的传 输模式，把光纤分为多模光纤和单模光纤 两类。阶跃型和梯度型为多模光纤。
光纤的传输模式： 沿半径传播的光波只有能形成驻波的 那些以特定角度射入光纤的光波才能 在光纤内传播，这些光波就称为模。 通常，纤芯直径较粗时，能传播几百 个以上的模，称为多模光纤。只能传 播一个模，称为单模光纤。
光纤的传输特性 （1）传输损耗： （2）色散：材料、波导、多模色散。 （3）容量：由于存在光纤色散现象，会 使脉冲展宽，造成信号畸变，从而限 制了光纤的信息容量和品质。
（4）抗拉强度：光纤的弯曲性与光纤的 抗拉强度的大小有关系。 （5）集光本领：光纤的集光本领与数值 孔径有密切的关系。
二 光纤传感器的分类及构成
sin c
1 2 n12 n2 NA n0
光纤的传光原理
sin c 1 2 n12 n2 NA n0
光纤的数值孔径NA表示为, 式中，为光纤周围媒质的折射率。对 于空气，。 数值孔径NA是光纤的一个基本参数， 它决定了能被传播的光束的半孔径角 的最大值，反映了光纤的集光能力。