光纤传感器介绍ppt课件

光纤干涉测量技术
第二讲 光纤传感器介绍
2020/4/27
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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。
易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要被求测不参太数高起的检场测合作。用的
光发送器
是其他敏感元件。
传感型与传光性光 纤光这纤传种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、器相位调液位制、、压力偏、振形变态、温度、
流速、电流、磁场等。
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，
光纤温度传感器
微弯光纤压力传感器
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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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
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图b 光纤测量系统结构
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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氙闪光灯
触发 电极
激光束 聚光器 红宝石棒Al 2O3
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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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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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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。
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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
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。
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
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
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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。
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。
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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
光主要在纤芯中传输，光纤的导光能力 纤 芯 包 层 涂敷层
护套
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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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。