光纤传感器介绍

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法拉第效应
许多物质在磁场的作用下可以使穿过它的平面偏振光的偏 振方向旋转，这种现象称为磁致旋光效应或法拉第效应。
向 传播方
振动面 线偏振光
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偏振调制型光纤传感器 ——光纤电流传感器
单模光导纤维的偏振特性极易 受到外界各种物理量的影响， 如在高电场下的克尔效应和在 强磁场下的法拉第效应，利用 这一原理可制成大电流、高电 压测试传感器。
离的信号传输。
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光纤传感器的分类——相位调制型
相位调制型光纤传感器：
是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播 常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条 纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从 而得到被测对象的信息。
通常有利用光弹效应的声、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、电压传感器以及利用 光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等 。
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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
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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.
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
易实现光，纤成不本连低续。。但此灵类敏光度纤也传较感低器，无用需于特对殊灵光敏纤度及光 度 被要其信 不 测求他号同参不特，进数太殊根行起高技据测检的术光量测场，接，作合比受而用。较强对的容
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
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光纤传感器的分类——强度调制型
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。
类型 偏振态调制
方式
主要应用
Faraday效应（磁光效应）
克尔电光效应
电流、电压、磁场传感器
光电效应
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光的偏振现象
Maxwell电磁波理论和实验表明，光波是横波。
电 磁 波 的 振 动 方 式
光除了有干涉和衍射现象外还有偏振现象
在干涉和衍射里，光波的振动是以标量形式来处理的，即未考虑振动 的方向，只研究光振动的大小和强度分布。而研究光的偏振现象，光波 必须用矢量来描述。
利用数字编码技术进行强度调制
利用电压式表面声波衍射进行强度调制
主要应用 辐射式温度传感器 位移、压力、流量传感器 振动、频率、重量传感器 微位移、液位传感器 压力传感器 浓度、折射率传感器
x、射线传感器
流量传感器 转动、转速传感器 光开关
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光强度调制型光纤传感器——光纤压力传感器
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。
波长调制光纤传感器主要是利用传感探头的光频谱特性随外界物理量 变化的性质来实现的。此类传感器多为非功能型传感器。
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光纤传感技术的分类——按光学现象分
干涉型 非干涉型 分布式传感器 Bragg传感器
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光纤传感技术的分类
类型
被测量
Michelson 速度、振动、位移 干涉仪 振动、位移
优点：这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测
系统，因此成本高。
类型
方式
主要应用
Sagnac光纤干涉仪 相位调制 F-P光纤干涉仪
微位移、粗糙度测量 光洁度、加速度、速度测量
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Michelson光纤干涉仪 角度等传感器 22
相位调制型光纤传感器 ——光纤温度传感器
用单模光导纤维构成干涉仪 ，外界各种物理量的影响因 素能导致光导纤维中光程的 变化，从而引起干涉条纹的 变动 。
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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
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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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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。
相位 （干涉）
相位 （干涉）
光纤类型 多模梯度光纤
单模光纤
单模光纤
保偏光纤
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光纤传感技术的分类
类型 非干涉型
分布式传感器 Bragg传感器
温度
声压
变形、振动、加速度
干 涉 型
MachZehnder
温度 电流、磁场
干涉仪
电流
电压
位移、应变
Sagnac 旋转速度 干涉仪 电流、磁场
光学现象 多普勒效应 多次反射 热膨胀 声光效应 光弹性效应 热膨胀 磁致伸缩效应 热膨胀 电致伸缩效应 多次反射
Sagnac来自百度文库应 Faraday效应
检测对象 频率 干涉 相位
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光纤传感器的分类——偏振调制型
偏振调制型光纤传感器：
是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。 有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传 感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的普克尔效应做成的电场、 电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以 及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。 优点：这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。
这种传感器的优点是有极高的灵敏 度，主要用于光纤陀螺、光纤水听 器、动态压力和应变测量、机械振 动测量等方面 。
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激光器的点光源光束扩散 为平行波，经分光器分为 两路，一为基准光路，另 一为测量光路。外界温度 （或压力、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。
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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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。
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。
在压力作用下光纤产生微弯 变形导致光强度变化，从而 引起光纤传输损耗的改变， 并由吸收、发射或折射率变 化来调制发射光，可制成微 弯效应的光纤压力传感器 。
由于齿板的作用，在沿光纤光轴的垂直方向上加有 压力时，光纤产生微弯变形，光波导方式改变，传 输损耗增加。
这种传感器具有较高的灵敏度。
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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，
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。
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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。
优点：结构简单、容易实现，成本低。
缺点：受光源强度波动和连接器 损耗变化等影响较大
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光纤传感器的分类——强度调制型
类型
强度 调制
方
式
安装斩波器、光开关、调制
安装光楔、光栅、动闸
发光或受光纤自调制
反射式强度调制
光纤微弯扰式模式调制
液体折射率变化进行调制
光纤吸收特性进行调制
比较光纤出射模斑的强度调制
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光纤传感器的分类——波长调制型
类型
波长 调制
方
式
利用热色物质的颜色变化进行波长调制
利用荧光光谱变化进行波长调制
利用黑体辐射进行波长调制
利用滤光器参数变化进行波长调制
利用棱镜光栅进行波长调制
利用被测物自身吸收特性进行波长调制
主要应用 pH值测量、温度测量 温度测量 温度测量 气体浓度传感器 位移分色计 气体成分传感器
（1）容易安装，不用断开导线，仅将细长、柔软的绝缘光纤卷绕在导体 上就可检测电流，能实现整个传感装置的小与轻量化；
（2）无电磁噪音的干扰。
（3）计测范围广，没有铁心磁饱和的制约，同时，法拉第效应的响应速 度快，具有从低频到高频、到大电流的广阔测量范闱；
（4）因为信号通过光纤传输。波形畸变小。传输损耗小，故可实现长距