光纤传感器介绍 ppt课件
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光纤传感器介绍48页PPT
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
光纤传感器介绍
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
56、书不仅是生活ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
光纤传感器介绍
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
56、书不仅是生活ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
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讲解可修改文字
NA n12 n22
n n 1为纤芯折射率 ， 2 为包层折射率
arcsinNA是一个临界角，
θ> arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；
θ< arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。
数值孔径的意义是无论光源发射功率有多大，只有2 张角之内的光被
光纤接受传播。一般希望光纤有大的数值孔径，这样有利于耦合效率的提高。 但数值孔径越大，光信号将产生大的“模色散”，入射光能分布在多个模式 中，各模式速度不同，因此到达光纤远端的时间不同，信号将发生严重的畸
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。
三 介绍几种光纤传感器
1，光纤压力传感器
Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如 图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片 受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化， 从而使输出光强受到调制。
6 光纤传感器的类型
光纤传感器按其作用方式一般分为两种类型： 一 功能型光纤传感器， 二 非功能型光纤传感器。
功能型光纤传感器
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。
（3）传输损耗
由于光纤纤芯材料的吸收、散射、光纤弯曲处的辐射损耗等 的影响，光信号在光纤中的传播不可避免地要有损耗，光纤的传输 损耗A可用下式表示
-10 lg I0
A=
I
L
式中 L ——光纤的长度 I0——光纤入射端的光强 I——光纤输出端的光强
n n 1为纤芯折射率 ， 2 为包层折射率
arcsinNA是一个临界角，
θ> arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；
θ< arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。
数值孔径的意义是无论光源发射功率有多大，只有2 张角之内的光被
光纤接受传播。一般希望光纤有大的数值孔径，这样有利于耦合效率的提高。 但数值孔径越大，光信号将产生大的“模色散”，入射光能分布在多个模式 中，各模式速度不同，因此到达光纤远端的时间不同，信号将发生严重的畸
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。
三 介绍几种光纤传感器
1，光纤压力传感器
Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如 图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片 受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化， 从而使输出光强受到调制。
6 光纤传感器的类型
光纤传感器按其作用方式一般分为两种类型： 一 功能型光纤传感器， 二 非功能型光纤传感器。
功能型光纤传感器
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。
（3）传输损耗
由于光纤纤芯材料的吸收、散射、光纤弯曲处的辐射损耗等 的影响，光信号在光纤中的传播不可避免地要有损耗，光纤的传输 损耗A可用下式表示
-10 lg I0
A=
I
L
式中 L ——光纤的长度 I0——光纤入射端的光强 I——光纤输出端的光强
《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
光纤传感器 课件
入全反射光，集光能力越强，光纤与光源的耦合越容易，
且保证实现全反射向前传播。但NA 越大，经光纤传输后
产生的信号畸变越大，因而限制信息的传输容量。在实际
使用时应选择合适 NA值，石英光纤的数值孔径NA 为0.2～
0.4。
2 光纤模式
• 光纤模式是指光波在光纤中的传播途径和方式。沿光纤传
输的光可以分解为沿轴向与沿截面传输的两种平面波长成
光线消失。
• 只有入射角i arcsin NA 的光线才可以进入光 纤被全反射传播，而入射角 i arcsin NA 的光
线进入光纤后在包层中消失，不能进行传 播。这里讨论光导纤维传光原理时，忽略 光在传播过程中的各种损耗，如菲涅尔反 射损耗、光吸收损耗、全反射损耗及弯曲 损耗等，因此光纤不可能完全地传输入射 光的能量。
光是一种电磁波，其波长范围从极远红外的1mm到极远紫外 10mm。电磁波的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起
的。因此，在讨论光的敏感测量时，必须考虑光的电矢量 E 的振动
，即
E = Asin (t + )
式中， A—电场量 E的振幅矢量；
(15-15)
—光波的振动频率；
—光相位；
t —光的传播时间。
50～100 m 之间，其传输性能较差，带宽较窄。
3 按光纤工作波长分类
短波长（0.8～0.9 m）光纤、长波长（1.0～1.7 m）光纤、超长波长（大于2 m）
光纤。
4 按纤芯的折射率不同分类 阶跃型光纤（又称突变型光纤）和渐变型光纤（又称自聚焦型光纤），如图15-4 所示。
n n1 n2
纤芯
包层
15.1.2 光导纤维的传光原理
•
一般把光波在光纤中的传输看成是光线在光
光纤传感器ppt
外界参数温度 压力 振动等引起光纤长度的变化和相位的光 相位变化;从而产生不同数量的干涉条纹;对它的模向移动进 行计数;就可测量温度或压力等
第12章 光纤传感器
反射式光纤位移传感器
➢ 利用光纤实现无接触位移测量 光源经一束多 股光纤将光信号传送至端部;并照射到被测物体 上 另一束光纤接受反射的光信号;并通过光纤 传送到光敏元件上 被测物体与光纤间 距离变化;反射到 接受光纤上;光通 量发生变化 再通 过光电传感器检测 出距离的变化
温度压力光纤传感器
✓ 中心——纤芯；
✓ 外层——包层；
包层
✓ 护套——尼龙料
性质
✓ 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质;
✓ 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2N1＞N2
第12章 光纤传感器
1光纤的结构和传输原理 ②光纤的传光原理： 光纤的传播基于光的全反射 当光线以不同角 度入射到光纤端面时;在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时;光线
第12章 光纤传感器
2光纤的性能几个重要参数 ③传播损耗A
➢ 光纤在传播时;由于材料的吸收 散射和弯曲 处的辐射损耗影响;不可避免的要有损耗
用衰减率A表示：
A10lg(I1/I2)(dB/Km) l
I1 I2：两接收光纤的光强 在一根衰减率为10dB/Km的光纤中;表示当光纤传输
1Km后;光强下降到入射时的1/10
干涉现象 微小弯曲损失
散射损失
双波长透射率 变化
反射角变化
石英系玻璃 旋转圆盘
石英系玻璃 石英系玻璃 薄膜+膜条 C45H78O2+VL2255N
振子
薄膜
生成着色中心
光纤束成像 多波长传输 非线性光学
第12章 光纤传感器
反射式光纤位移传感器
➢ 利用光纤实现无接触位移测量 光源经一束多 股光纤将光信号传送至端部;并照射到被测物体 上 另一束光纤接受反射的光信号;并通过光纤 传送到光敏元件上 被测物体与光纤间 距离变化;反射到 接受光纤上;光通 量发生变化 再通 过光电传感器检测 出距离的变化
温度压力光纤传感器
✓ 中心——纤芯；
✓ 外层——包层；
包层
✓ 护套——尼龙料
性质
✓ 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质;
✓ 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2N1＞N2
第12章 光纤传感器
1光纤的结构和传输原理 ②光纤的传光原理： 光纤的传播基于光的全反射 当光线以不同角 度入射到光纤端面时;在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时;光线
第12章 光纤传感器
2光纤的性能几个重要参数 ③传播损耗A
➢ 光纤在传播时;由于材料的吸收 散射和弯曲 处的辐射损耗影响;不可避免的要有损耗
用衰减率A表示：
A10lg(I1/I2)(dB/Km) l
I1 I2：两接收光纤的光强 在一根衰减率为10dB/Km的光纤中;表示当光纤传输
1Km后;光强下降到入射时的1/10
干涉现象 微小弯曲损失
散射损失
双波长透射率 变化
反射角变化
石英系玻璃 旋转圆盘
石英系玻璃 石英系玻璃 薄膜+膜条 C45H78O2+VL2255N
振子
薄膜
生成着色中心
光纤束成像 多波长传输 非线性光学
《光纤传感器》课件
频率调制型
通过外界物理量的变化引起光 纤中光的频率变化，从而实现 对外部参数的测量。
相位调制型
通过外界物理量的变化引起光 纤中光的相位变化，从而实现
对外部参数的测量。
光纤传感器的应用领域
工业自动化
用于监测温度、压力、流量、液位等参数， 实现工业过程的自动化控制。
环境监测
用于监测环境中的温度、湿度、压力、气体 浓度等参数，实现环境监测和治理。
光纤传感器在高温、低温或温度变化环境下保持性能的能力。高温度适应性传感器能够在更宽的温度范围内正常 工作，适用于各种恶劣环境。
湿度适应性
光纤传感器在潮湿、干燥或湿度变化环境下保持性能的能力。高湿度适应性传感器能够在更宽的湿度范围内正常 工作，适用于各种环境湿度条件。
05
光纤传感器的发展趋势与挑战
新材料与新技术的应用
光纤传感器
目录
• 光纤传感器概述 • 光纤传感器的技术原理 • 光纤传感器的设计与制造 • 光纤传感器的性能指标 • 光纤传感器的发展趋势与挑战 • 光纤传感器案例分析
01
光纤传感器概述
定义与工作原理
定义
光纤传感器是一种利用光纤作为敏感元件的传感器，能够检测和测量物理量、 化学量和生物量等参数。
新材料
新型光纤材料如掺铒光纤、光子晶体光纤等，具有更高的非线性效应和增益特性，提高了光纤传感器 的性能。
新技术
量子点、纳米线等新型纳米材料的应用，提高了光纤传感器的灵敏度和分辨率。
集成化与小型化的发展趋势
集成化
将多个光纤传感器集成在同一根光纤上，实现多参数、多维度的测量，提高了测量效率 和精度。
小型化
光纤压力传感器的应用案例
总结词
光纤压力传感器在石油、化工、航空航天等 领域有重要应用。
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
通过化学气相沉积等方法 制备出光纤预制棒，作为 光纤制造的原材料。
拉丝工艺
将光纤预制棒加热软化后 ，通过拉丝机拉制成连续 的光纤。
涂覆与保护
在拉制出的光纤表面涂覆 一层保护涂层，以提高光 纤的机械强度和耐腐蚀性 。
光纤传感器的封装工艺
光纤光栅封装
光纤传感器的密封与保护
将光纤光栅粘贴在特定的封装基底上 ，并使用环氧树脂等材料进行固定和 保护。
光纤传感器的应用领域。
光纤传感器的小型化与集成化
总结词
光纤传感器正朝着小型化与集成化的方向发展，以满 足现代科技领域对传感器尺寸和集成度的要求。
详细描述
随着微纳加工技术和光子集成技术的不断发展，光纤 传感器的小型化与集成化成为可能。小型化的光纤传 感器具有更小的体积和更高的可靠性，集成化的光纤 传感器则能够实现多个传感功能的集成，提高系统的 集成度和智能化程度。
光纤传感器的优点与局限性
优点
高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可 在恶劣环境下工作、可远程测量等。
局限性
对温度、压力、位移等物理量的测量 可能会受到其他因素的干扰，如弯曲 、振动等；同时，光纤传感器成本较 高，限制了其在某些领域的应用。
03
CHAPTER
光纤传感器的制造工艺
光纤的制备
01
02
03
预制棒制备
光纤传感器
目录
CONTENTS
• 光纤传感器概述 • 光纤传感器的技术原理 • 光纤传感器的制造工艺 • 光纤传感器在各领域的应用 • 光纤传感器的发展趋势与挑战 • 案例分析：光纤传感器在石油工业中的应用
01
CHAPTER
光纤传感器概述
定义与工作原理
定义
光纤传感器是一种利用光纤作为敏感元件的传感器，能够检 测和测量物理量（如温度、压力、位移等）的变化。
拉丝工艺
将光纤预制棒加热软化后 ，通过拉丝机拉制成连续 的光纤。
涂覆与保护
在拉制出的光纤表面涂覆 一层保护涂层，以提高光 纤的机械强度和耐腐蚀性 。
光纤传感器的封装工艺
光纤光栅封装
光纤传感器的密封与保护
将光纤光栅粘贴在特定的封装基底上 ，并使用环氧树脂等材料进行固定和 保护。
光纤传感器的应用领域。
光纤传感器的小型化与集成化
总结词
光纤传感器正朝着小型化与集成化的方向发展，以满 足现代科技领域对传感器尺寸和集成度的要求。
详细描述
随着微纳加工技术和光子集成技术的不断发展，光纤 传感器的小型化与集成化成为可能。小型化的光纤传 感器具有更小的体积和更高的可靠性，集成化的光纤 传感器则能够实现多个传感功能的集成，提高系统的 集成度和智能化程度。
光纤传感器的优点与局限性
优点
高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可 在恶劣环境下工作、可远程测量等。
局限性
对温度、压力、位移等物理量的测量 可能会受到其他因素的干扰，如弯曲 、振动等；同时，光纤传感器成本较 高，限制了其在某些领域的应用。
03
CHAPTER
光纤传感器的制造工艺
光纤的制备
01
02
03
预制棒制备
光纤传感器
目录
CONTENTS
• 光纤传感器概述 • 光纤传感器的技术原理 • 光纤传感器的制造工艺 • 光纤传感器在各领域的应用 • 光纤传感器的发展趋势与挑战 • 案例分析：光纤传感器在石油工业中的应用
01
CHAPTER
光纤传感器概述
定义与工作原理
定义
光纤传感器是一种利用光纤作为敏感元件的传感器，能够检 测和测量物理量（如温度、压力、位移等）的变化。
《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
传感与测试技术-光纤传感器ppt课件
磁阻位移传感器
运用
磁敏感器：以地球磁场为基准，测量航天器姿 态的敏感器。磁强计本身是用来测量空间环境 中磁场强度的。由于地球周围每一点的磁场强 度都可以由地球磁场模型事先确定，因此利用 航天器上的磁强计测得的信息与之对比便可以 确定出航天器相对于地球磁场的姿态。
热敏传感器〔半导体）
热敏传感器：半导体温度传感器，由金属氧化 物(MnO2 、 CuO 、 TiO2)的粉末按一定比例混 合烧结而成，具有很大的负温度系数。电阻-温 度的关系为
成像系统组成
CCD Camera
Filters
Lens
UV/UwVh/iwtehiteepeipi illumilliunmatiinoantion
Sample
UV/white transillumination
CCD传感器的应用
组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工 件损伤、自动焦点等。
用作光学信息处理装置的输入环节，例如 传真技术。光学文字识别技术(OCR)与图 像识别技术、光谱测量及空间遥感技术、 机器人视觉技术等。
磁敏传感器
霍尔元件 ：利用霍尔效应的半导体磁电转换 元件。
霍尔效应：金属或半导体薄片置于磁场中， 当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方 向上将产生电动势。
霍尔效应
B
b FE
FL v
l
d
I VH
霍尔电势
VHkBIB sin
霍尔效应演示
霍尔元件
基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件， 霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件越 薄(d越小)，kH就越大，薄膜霍尔元件厚度只有 1μm左右。
利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光 纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传〞和“感 〞合为一体的传感器。传感器中的光纤是连续 的。
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
光纤传感器原理及应用ppt课件
• 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
• 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。
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
2.传感器系统
• 从单一传感器的研究进入到传感器系 统的研究，并与微处理机相结合形成 光纤遥测系统。
3.提高可靠性和稳定性
• 降低成本。 • 特殊光纤：根据实际需要选用新的
材料，设计特殊结构的专用光纤。 • 对基础技作。
• non-resonant wavelengths are transmitted through the device without loss.
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3
光纤传感器的发展
20世纪90年代后期，光通信带动下的光子产业取 得了巨大的成功，光纤传感器呈产业化发展，在 国际上形成了许多应用领域，即医学和生物、电 力工业、化学和环境、军事和职能结构、石油行 业、汽车行业、船舶、航空航天等领域。
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4
光纤传感器的发展
传感器（Sensor，Transducer）是完成信息获 取（检测）、传输和转换的器件。光纤传感器 （Optical Fiber Sensor）则是以光纤作为功能 材料的传感器。
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光纤的基本知识
1966年，英籍华裔学者高锟（Charles K. Kao）发表 了关于传输介质新概念的论文《光频率介质纤维表面波 导》，指出了利用光纤（Optical Fiber）进行信息传 输的可能性和技术途径，并指明通过“原材料提纯制造 出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向， 他奠定了现代光通信——光纤通信的基础。
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光纤的基本知识
光纤是一种传输光信息的导光纤维，主要由高强度 石英玻璃、常规玻璃和塑料制成。 光纤由纤芯、包层、护套组成。
纤芯
n1
n2
包层
纤 芯 包 层 涂敷层
护套
光主要在纤芯中传输，光纤的导光能力
主要取决于纤芯和包层的折射率，纤芯的
折射率n1稍大于包层的折射率n2，典型
数值是n1=1.46~1.51，n2=1.44~1.50.
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氙闪光灯
触发 电极
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ激光束 聚光器 红宝石棒Al 2O3
2
光纤传感器的发展
但是在当时，光纤传感器真正投入实际应用的却不多，这 主要是因为与传统的传感技术相比，光纤传感器的优势是 本身的物性特性而不是功能特性。
因此，光纤传感技术的重要应用之一是利用光纤质轻、径 细、强抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、信号衰减小，集信 息传感与传输于一体等特点，解决常规检测技术难以完全 胜任的测量问题。
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图b 光纤测量系统结构
什么是光纤传感器？
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。
易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度被要测求参不数太起高检的测场作合用。的
光发送器
是其他敏感元件。
传感型与传光性光 纤光这纤种传传感感器器敏多感都用元于件可工业检测
再分信号成处理光强调光制受信、器相位调液 流位 速制、 、、压 电力流偏、、振形磁变场态、等温。度、
3）拾光调型制光纤以传及感波器长调制等几 种它的形优式点是。性能稳定可靠，
光发送器
光纤敏感元件
信号处理
光受信器
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光纤传感器的分类
2）非功能型（或称传光型）光纤传感器
光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能
依靠其他物理性质的功能元件完成。
以多模光导纤维来传输
光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及光 度其信 不他号同特，进殊根行技据测术光量，接，比受而较强对容
光纤干涉测量技术
第二讲 光纤传感器介绍
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光纤传感器的发展
20世纪60年代，激光使得利用
光的各种属性（干涉、衍射、偏 振、反射、吸收和发光等）的光 检测技术，作为非接触、高速度、 高精确度的检测手段获得了飞速 的发展。
20世纪70年代，由于光纤不但具 有良好的传光特性，而且其本身 就可用来进行信息传递，无需任 何中间媒体就能把测量值与光纤 内的光特性变化联系起来，因此， 在20世纪80年代光纤传感器就已 显示出广阔的应用前景。
①电绝缘性能好。
②抗电磁干扰能力强。
③非侵入性。
④高灵敏度。
⑤容易实现对被测信号的远距离监控。
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
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光纤传感器的基本原理
光纤传感器的基本原理：光导纤维不仅可以作为光波 的传播介质，而且光波在光纤中传播时表征光波的特 征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素 （如温度、压力、磁场、电场、位移、转动等）的作 用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感 元件来探测各种物理量。
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光纤的基本知识
850nm窗口，典型的衰减值为2dB/km； 1300nm窗口，典型的衰减值为0.4dB/km； 1550nm窗口，具有最低的衰减，典型值为0.2dB/km。
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光纤传感器的分类——按功能分
根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器分为功能型、 非功能型和拾光型三大类
光纤温度传感器
微弯光纤压力传感器
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光纤传感器与经典传感器的区别
图a 经典测量系统结构
经典的传感器完成的 是从非电量到电量的 转换。
光纤传感器完成的是 从非光量到光量的转 换。
它们的区别是，光纤 传感器以光作感知信 息的载体，而不是电； 用光纤传送信息，而 不是导线。
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光纤传感器的分类——强度调制型
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。
1）功能型（全光纤型）光纤传感器
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“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 作用下，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。由于光纤连续，增加其长度，可提 高灵敏度。
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。
结构简单，造耦价合低器廉. 光缺发点送是器灵敏度低。
光纤 被测对象
其典型例子如光纤激光多普勒速度计 信号 光受
、辐射式光纤温度传感器等。
处理 信器
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光纤传感技术的分类——按调制方式分
强度调制型 偏振调制型
相位调制型 波长调制型