光纤传感器原理及其应用共49页

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
107 106 105 104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6
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
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。
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
光纤传感器原理及其应用
26、机遇对于有准备的头脑有特别的 亲和力 。 27、自信是人格的核心。
28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林斯 潘。
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。
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。
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•
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
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。
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
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
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
ELF VF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
频段 电力、电话 划分
传 输 介 质
无线电、电视
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。
传感器是现代科学技术开拓的先锋
在信息时代，人类的认识和活动范 围在空间和时间上将向无限、极端和 崭新领域拓展。各种关键工程的开发， 首先就要有能传感各种强、高、弱、 微和边缘效应的传感器，这些特殊领 域的突破将给人类科学技术带来不可 估量的进展，产生巨大的经济效益。
• 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 • …...
光纤传感器的优点
• 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
• 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。
• 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
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