光纤传感器
光纤传感器
(b) 临界状态示意图
sin ϕ10=n2/n1
ϕ10=arcsin(n2/n1)
临界角
11
并继续增大时， 当ϕ1 ＞ϕi0并继续增大时，ϕ2 ＞90º， n2 ， 这时便发生全反射现象， 如图(c) ， n1 这时便发生全反射现象 ， 如图 其出射光不再折射而全部反射回来。 其出射光不再折射而全部反射回来。
5
光纤温度传感器 OTG-M170光纤温度传感器的直径是 光纤温度传感器的直径是170um， 它 光纤温度传感器的直径是 ， 是最小的光纤温度传感器，响应时间为10ms。 是最小的光纤温度传感器，响应时间为 。 在医疗工业要求中，精度可达到± 在医疗工业要求中，精度可达到± 0.3°C，满量 ° ， 程温度范围+20°C到80°C。 程温度范围 ° 到 ° 。
B、心血管血压监控：微小和末端感应光纤传 、心血管血压监控：
压力感器是制作心血管血液压力导尿管的理想传 感器。 感器。 C、头颅，隔膜的动态压力测量等 、头颅，
6
2、电力行业 、
光纤传感器是开关设备和其它高电压器件（ 光纤传感器是开关设备和其它高电压器件 （ 如母 的温度上升，高温循环测试的理想选择。 线 ） 的温度上升 ， 高温循环测试的理想选择 。 光 纤传感器耐高温，对电磁/射频， 纤传感器耐高温，对电磁/射频，高电压和电子干 扰完全免疫。 扰完全免疫。
3
光纤传感器的应用
应用： 压力、温度、加速度、 应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀
位移、 液面、 转矩、 光声、 螺 、 位移 、 液面 、 转矩 、 光声 、 电流和应 变等物理量的测量。 变等物理量的测量。
测量对象：电流磁场、电压电场、温度、 测量对象：电流磁场、电压电场、温度、
光纤传感器
这种干涉仪是多光束干涉，与前几种双光束干涉仪不同。
光 源
BS
M2
光纤
M1
调制
S0(t)
透射 输出
反射输出
几种干涉仪的共同点：如果相干光均在空气中传播, 受环境温度变化的影响，会引起空气折射率的扰动以 及声波干扰，导致空气光程的变化，造成工作不稳定， 精度的降低。
利用单模光纤作干涉仪的光路，可以减小环境温度的 影响。
其中
2
a
微弯光纤纤芯半径
n1 n2 相对折射率差 n1
2 2 n1 n2 2 2n1
对SIF, 对GIF,
g
g2
有: 有:
0
a
2a
0
例:水听器
2．光强度的外调制
外调制技术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤
本身只起传光作用。这里光纤分为两部分：发送光纤和
例
被测物理量(温度)
I in
折射率改变
I out
1
强度改变
2 3
(a)
(b)
斜面反射式光纤温度传感器 1、2 光纤 3 棱镜
4 由光吸收系数的改变引起的强度调制
X射线等辐射线会使光纤材料的吸收损耗增加,光纤的输出 功率降低.
辐射 Iin L Iout D
(二) 解调
S0(t)
1 直接检测
L
D2 S D1
可得: I 2 I 0 1 cos( m t )
频移 m 一般由声光调制器AOM(布喇格盒)获得.其实质 是多谱勒效应
注:相位检测技术非常复杂,限于课时,不能展开讲解.有兴趣 的同学可参看王惠文主编的«光纤传感技术与应用»一书.
光纤传感器
光纤传感器光纤传感器技术在现代科技领域中扮演着重要的角色。
本文将介绍光纤传感器的原理、应用领域以及未来发展趋势。
光纤传感器是一种利用光纤输送光信号并将其转换为传感信号的装置。
其工作原理基于光纤的光学特性，利用光的传输和反射来检测物理量的变化。
光纤传感器可以实现高灵敏度、高分辨率、快速响应和远程感知等特点，因此在许多领域得到广泛应用。
一种常见的光纤传感器类型是光纤光栅传感器。
光纤光栅传感器利用光栅的干涉效应来实现对物理量的测量。
光栅是将光纤纤芯中周期性的折射率变化引入的装置，在光的传播过程中形成干涉。
当光栅受到外界物理量的作用时，其折射率发生变化，从而引起干涉的变化，进而实现对物理量的检测。
光纤传感器的应用领域非常广泛，其中之一是环境监测领域。
光纤传感器可以用于测量温度、湿度、压力等环境参数，用于监测大气污染、水质污染、土壤质量等环境指标。
通过将光纤传感器网络部署在不同地点，可以实现对环境状况的实时连续监测，为环境保护提供重要数据支持。
另外，光纤传感器在基础设施安全领域也起着关键作用。
例如，光纤传感器可以应用于石油管道、天然气管道、电力输电线路等重要设施的监测和安全保护。
通过光纤传感器可以实现对温度、压力、振动等参数的监测，及时发现异常情况并采取措施，避免事故的发生。
光纤传感器还在医疗领域发挥着重要作用。
例如，在手术中，医生可以使用光纤传感器来监测患者的生命体征，如心率、血压等，并及时作出反应。
此外，光纤传感器还可以用于光学成像，如光纤内窥镜等，帮助医生进行精确的病灶检测和治疗。
未来，光纤传感器技术有望进一步发展。
一方面，随着光纤技术的不断革新，光纤传感器的性能将得到进一步提升。
例如，光纤传感器的灵敏度和分辨率将更高，响应速度将更快，从而满足更多领域对传感器的需求。
另一方面，光纤传感器的应用范围也将不断扩大，如在机器人技术、智能交通、航空航天等领域的应用都将成为可能。
这些发展将进一步推动光纤传感器技术的应用和创新。
什么是光纤传感器_光纤传感器分类
什么是光纤传感器_光纤传感器分类
光纤传感器简介光纤最早是应用于光的传输，适合长距离传递信息，是现代信息社会光纤通信的基石。
光波在光纤中传播的特征参量会因外界因素的作用而间接或直接地发生变化，由此光纤传感器就能分析探测这些物理量、化学量和生物量的变化。
光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。
其基本原理是将光源的光经入射光纤送入调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使入射光的某些光学性质（如强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。
光纤传感器的分类光纤传感器按结构类型可分两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能性（传光型）传感器。
（1）功能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）作为传感元件，对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。
光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，多采用多模光纤。
优点：结构紧凑，灵敏度高。
缺点：须用特殊光纤，成本高。
典型应用：光纤陀螺、光纤水听器等。
（2）非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。
光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上被测量调制。
优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。
缺点：灵敏度较低。
实用化的大都是非功能型的光纤传感器根据被调制的光波的性质参数不同，这两类光纤传。
光纤传感器
光纤传感器传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。
在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。
光纤具有很多优异的性能，例如：具有抗电磁和原子辐射干扰的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。
1.光纤的结构2.光纤的传光原理3.光纤传感器工作原理（1）功能型——利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成（2）传光型——光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化。
光纤传感器的测量原理有两种：（1）物性型光纤传感器原理，物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。
其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。
因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。
这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。
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，就可测量温度或压等。
（2）结构型光纤传感器原理，结构型光纤传感器是由光检测元件(敏感元件)与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。
其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。
光纤传感器的基本原理
二、利用半导体的吸收特性进行强度调制
大多数半导体的禁带宽度Eg都随着 温度T的升高而几乎线性地减小.它们的 光吸收边的波长将随着T的升高而变化.
5.3 相位调制机理
• 利用光相位调制来实现一些物理量的测 量可以获得极高的灵敏度.
• 相位调制光纤传感器的基本传感原理是： 通过被测能量场的作用,使光纤内传播的 光波相位发生变化,再用干涉测量技术把 相位变化转换为光强变化,从而检测出待 测的物理量.
不用透镜的两光 纤直接耦合系统, 结构虽然简单, 但也能很好地工 作.只是接收光 纤端面只占发射 光纤发出的光锥 底面的一部分, 使光耦合系数减 小,灵敏度也降 低一个数量级
<r/dT>2.
利用两个周期结构的光栅遮光屏传感器．通过一对光栅遮光 屏的透射率,从50％<当两个屏完全重叠时>变到零<当一个屏 的不透明条完全覆盖住另一个屏的透明部分>.在此周期性结 构范围内,光的输出强度是周期性的.而且它的分辨率在光珊 条纹间距的10-6数量级以内.这是能够构成很灵敏、很简单、 高可靠的位移传感器的基础.
二、温度应变效应
仅考虑径向折射率变化时,其相位随温度变化为
5.3.2 光纤干涉仪
光纤相位传感器要求有相应的干涉仪来完 成相位检测过程.对于一个相位调制干涉 型光纤传感器,敏感光纤和干涉仪缺一不 可.敏感光纤完成相位调制任务,干涉仪完 成相位—光强的转换任务.
• 在光波的干涉测量中,传播的光波可能是 两束或多束相干光.
2
f
1
v c
cos
1
1
v c
cos
2
f
1
v c
cos(
1
2
)
5.4.1 光纤多普勒技术
光纤传感器图像传感器
安全监控
图像传感器在安全监控领 域中发挥着重要作用，用 于监控摄像头和安全门禁 系统。
图像传感器的优缺点
优点
图像传感器能够提供高分辨率和高清晰度的图像，具有较大的感光面积和较宽的 动态范围，同时具有较快的响应速度和较低的成本。
缺点
图像传感器对光照条件较为敏感，在低光照条件下性能会受到限制，同时像素之 间的噪声和串扰也可能影响图像质量。此外，图像传感器的功耗相对较高，需要 定期进行维护和校准。
市场规模
随着技术进步和应用领域的拓展，光纤传感器和图像传感 器的市场规模将持续增长，预计未来几年将保持两位数的 增长速度。
竞争格局
目前光纤传感器和图像传感器市场主要由几家大型企业主 导，但随着技术的普及和市场需求的增长，将吸引更多企 业进入该领域。
发展趋势
未来光纤传感器和图像传感器市场将呈现多元化、个性化 的发展趋势，不同领域的需求将进一步细分，产品定制化 程度将提高。
光纤传感器与图像传感器
目录
CONTENTS
• 光纤传感器概述 • 图像传感器概述 • 光纤传感器与图像传感器的比较 • 光纤传感器与图像传感器的未来发展
01 光纤传感器概述
CHAPTER
光纤传感器的定义与工作原理
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、智能制造等领域，图像 传感器可用于机器视觉、质 量检测等。
环保监测
航空航天
光纤传感器可用于环境监测、 污染源检测等领域，图像传 感器可用于水质分析、生态 监测等。
光纤传感器可用于飞行器结 构监测、发动机性能检测等 领域，图像传感器可用于卫 星遥感、空间探测等。
市场前景分析
交通领域
用于检测道路状况、车辆速度和流量 等，提高交通管理效率。
光纤传感器的作用及应用
光纤传感器的作用及应用光纤传感器是一种利用光纤技术来感知和检测环境中的各种物理量的传感器。
它具有高灵敏度、快速响应、宽波长范围、不受电磁干扰等优点，因此在许多领域有很广泛的应用。
光纤传感器的作用是利用光纤的特性来实现对环境中物理量的实时监测和测试，例如温度、压力、形变、振动、流量、声音等。
使用光纤作为传感器的探头，当环境中的物理量发生变化时，会引起光纤的弯曲、拉伸、压缩等形变，从而改变光纤中的传输特性，通过对光信号的分析和处理，可以获得环境中物理量的相关信息。
光纤传感器的应用非常广泛。
下面主要介绍几个光纤传感器应用的领域。
1. 制造业：光纤传感器在制造业中广泛应用于质量控制和工艺监测。
例如在汽车制造中，可以利用光纤传感器实时监测零件的尺寸、压力、温度等信息，以确保产品质量和生产效率。
2. 医疗领域：光纤传感器在医疗领域中有着重要的应用。
例如可以利用光纤传感器监测病人的生命体征，如体温、血压、心率等，从而及时发现异常情况并采取相应的治疗措施。
3. 石油和天然气工业：在石油和天然气工业中，光纤传感器可以用于油井的监测和控制，例如实时监测油井的温度、压力、流量等参数，以优化油井的生产效率和延长井口的使用寿命。
4. 建筑工程：在建筑工程中，光纤传感器可以用来监测和预警结构的变形和振动，以确保建筑物的安全性。
例如可以利用光纤传感器实时监测桥梁、高楼大厦等建筑物的变形情况，并在出现异常时发出警报。
5. 环境监测：光纤传感器可以用于环境监测，例如大气污染监测、水质监测等。
通过利用光纤传感器对环境中的温度、湿度、气体浓度等参数进行实时监测，可以及时预警和控制环境污染。
除了以上几个领域，光纤传感器还应用于军事、航天、航空、能源等众多领域。
可以说，光纤传感器已经成为了21世纪的重要技术之一。
总结起来，光纤传感器通过利用光纤的特性实现对环境中物理量的实时监测和测试。
它在制造业、医疗领域、石油和天然气工业、建筑工程、环境监测等领域有着重要的应用，对保障安全、提高生产效率和保护环境起着重要作用。
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光纤传感器
①光纤传感器的基本原理
光纤传感器通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号。
光纤传感器的测量原理有两种。
(1) 物性型光纤传感器原理
物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。
其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。
因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。
这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。
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。
图1 物性型光纤传感器工作原理示意图
(2) 结构型光纤传感器原理
结构型光纤传感器是由光检测元件（敏感元件）与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。
其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。
图2 结构型光纤传感器工作原理示意图
(3) 拾光型光纤传感器原理
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。
其典型例子如光纤激光
多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。
图3 拾光型光纤传感器工作原理示意图
②光纤传感器的优点
与传统的各类传感器相比，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，具有光纤及光学测量的特点，有一系列独特的优点。
(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。
(6) 耐腐蚀，防爆。
(7) 光路有可挠曲性，便于与计算机联接。
(8) 结构简单，体积小，重量轻，耗电少等。
光纤传感器在军事、航空、医学、环境监测、土木工程、电子系统等很多领域都有广泛的应用，尤其适
用于以下特殊环境：
(1) 在高压、电磁感应噪音条件下的测试；
(2) 在危险和环境恶劣条件下的测试；
(3) 在机器设备内部的狭小间隙中的测试；
(4) 在远距离的传输中的测试。
③光纤传感器的分类和可测量的物理量
按所利用的不同的光学现象，光纤传感器可分为干涉型和非干涉型，可通过相位，频率，强度和偏振调制等方式实现对不同物理量的测量，具体内容如表1所示。
表1 光纤传感器的分类和测量的物理量
传感器光学现象被测量光纤
分
类
干
涉型相位调制光线传
感器
干涉（磁致伸缩）电流、磁场SM、PM a
干涉（电致伸缩）电场、电压SM、PM a
Sagnac效应角速度SM、PM a
光弹效应振动、压力、加速度、位移SM、PM a
干涉温度SM、PM a
非
干涉型强度调制光纤温
度传感器
遮光板遮断光路温度、振动、压力、加速度、位移MM b
半导体透射率的变化温度MM b
荧光辐射、黑体辐射温度MM b
光纤微弯损耗振动、压力、加速度、位移SM b
振动膜或液晶的反射振动、压力、位移MM b
气体分子吸收气体浓度MM b 光纤漏泄膜液位MM b
偏振调制光纤温度传感器法拉第效应电流、磁场SM
b
,
a 泡克尔斯效应电场、电压MM
b 双折射变化温度SM b 光弹效应振动、压力、加速度、位移MM b
频率调制光纤温度传感器多普勒效应速度、流速、振动、加速度MM c 受激喇曼散射气体浓度MM b 光致发光s 温度MM b
注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型
④各种光纤传感器的应用领域及优缺点
表2给出了各种光纤传感器的作用机理，应用领域以及优缺点。
表2 光纤传感器的作用机理和应用领域
分类作用机理优点缺点应
用
光纤在传感器中作用功能性
光纤传感
器
光纤即是导光媒质，也是
敏感元件，光在光纤内受
被测量调制
结构紧凑
灵敏度高
须用特殊光纤，成本
高
光
纤
陀
螺
光
纤
水听器
非功能型光纤传感器光纤在其中仅起导光作
用
无需特殊光纤及
其它特殊技术，
比较容易实现，
成本低
灵敏度比较低大
多
数
实
用
化
设
备
拾光型光纤传感器光纤作为探头，接收由被
测对象辐射的光或被其
发射、散射的光
无需特殊光纤，
比较容易实现，
成本低
灵敏度比较低光
纤
激
光
多
普
勒
速
度
计
辐
射
式
温
度
传
感
器
光受被测量调制的形式强度调制
型光纤传
感器
利用被测对象的变化引
起敏感元件参数的变化，
导致光强度变化来实现
结构简单
容易实现
成本低
易受光源波动和连
接器损耗变换的影
响
压
力
、
振
动
、
位
移
、
气
体
传
感
器偏振调制
光纤传感
器
利用光的偏振态的变化
来传递被测对象信息
可避免光源强度
的变化的影响，
灵敏度高
不容易实现电
流
、
磁
场
；
电
场
、
电
压
；
压
力
、
动；温度、压力、振动传感器
频率调制光纤传感器被测对象引起的光频率
的变化来进行检测
容易实现，成本
低
灵敏度不高光
纤
速
度
、
流
速
、
振
动
、
压
力
传
感
；大气传感器；温度传感器
相位调制传感器运用机理优点缺点应
用
⑤应用注意事项
5.1 光纤
常见的光纤有阶跃型和梯度型多模光纤及单模光纤，选用光纤必须考虑以下因素：
(1) 光纤的数值孔径NA
从提高光源与光纤之间耦合效率的角度来看，要求用大的NA，但是NA越大，光纤的模色散越严重，传输信息的容量就越小。
但是大多数光纤传感器来讲，不存在信息容量的问题，光纤以最大孔径为宜，一般要求是：0.2≤NA<0.4。
(2) 光纤传输损耗
传输损耗是光纤的最重要的光学特性，很大程度上决定了远距离光纤通信中继站的跨越，但是光纤传感器系统中，大部分距离都比较短，长者不足4M，短的只有几毫米。
特别是作为敏感元件的特殊光纤，可放宽传输损耗的要求，一般损耗<10dB/km的光纤均可采用。
(3) 色散
色散是影响光纤信息容量的重要参量，如前所讲，可放宽这方面的要求。
(4) 光纤的强度
对传感器而言，都毫无例外的都要求较强的强度。
5.2 光源
(1) 白炽光源
白炽光源的辐射近似为黑体辐射。
其优点是：价格低廉，容易获得，使用方便，但在传感器中使用，由于辐射密度比较小，故只能与光纤束和粗芯阶跃光纤配合使用。
缺点是稳定性比较差，寿命短。
(2) 气体激光器
高相干性光源，容易实现单模工作，线性非常窄；辐射密度比较高，与单模光纤耦合效率高；噪声比较小。
(3) 固体激光器
现在主要用固态铷离子激光器等，优点是体积小，坚固耐用、高效率、高辐射密度。
光谱均匀而且比较窄，缺点是相干性和频率稳定性不如气体激光器。
(4) 半导体激光器
是光纤传感器的重要光源，主要LED，优点是体积小巧、坚固耐用、寿命长、可靠性高、辐射密度适中、电源简单。
光源很多，对光源的基本要求是一致的，必须使具有适当特性的、功率足够大的光达到检测器，以确保检测系统有足够大的信噪比，遵循原则为：选择辐射足够强的光源，要求在敏感元件的工作波长上有最大的辐射功率；光源必须与光纤匹配，以获得最好的耦合率；光源的稳定性要好，能在长期的室温下工作。
5.3 光电探测器
光电探测器是光电检测中不可缺少的器件，把光信号转变为电信号。
选择准则：在工作波段内灵敏度要高；有检测器引入的噪声一定要小，因此要选用暗电流、漏电流和并联电导尽可能小的器件；可靠性高、稳定性好；尺寸小、便于组装、容易与光纤耦合；偏压或偏流不宜过高；价格低廉。
⑥产品图片
光纤电流传感器手动可调谐滤波器温度光纤传感器敏感头光纤生物传感器光纤温度传感器光纤光栅应变传感器
光纤光栅压力传感器光纤光栅压力/位移一体
化传感器
光纤光栅压力/温度双参量渗压
计。