光纤式传感器
光纤传感器的工作原理
光纤传感器的工作原理
光纤传感器是一种对光强度十分敏感的新型传感器，它具有体积小、重量轻、耐环境性能好、测量范围大、非接触性强、使用省电等优点。
它是将一种特定的光学纤维绑成特定形状，然后集成到传感器系统中的一种传感器，光纤的内部反射的特性使其具有传输光信号的能力。
光纤传感器的基本原理就是光学纤维将环境中的外界信号转换成光信号，再通过光学纤维传递到测量终端，在终端处可以进行判断和处理，根据处理结果，通过电信号来控制外界装置，最终实现测试目标。
其传输特性本质上是把光变换成电，从而实现检测和测量，从而达到实现自动控制的目的。
光纤传感器的传感原理有分光原理、多模传感原理和非分光原理。
其中，分光传感原理是依靠多色拓扑不同的光纤把被检测物体表面的能量分解成不同波长的光信号，不同波长的光源在光纤上传播时，会被表面反射形成不同光强度的光信号；而多模传感原理则是由一根光纤传感器得到物体表面的温度、光、压力和其他物理量信号，通过光纤得到物体表面的反射特性，通过特定的滤波器提取出指定的物理信号；最后，非分光原理是把光纤上不同光强度的信号通过传感器转换为电信号，根据电信号的强弱来控制外部的装置，实现物理量的监控和控制。
总之，光纤传感器的传感原理既具有灵敏度又具有稳定性，是一种普遍应用于工业检测、检验和测量等领域中皆有广泛运用的特殊传感器。
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.
光纤传感器基本原理
光纤传感器基本原理
光纤传感器基本原理是利用光纤的特殊性质，将光信号转换为电信号。
在光纤传感器中，光源发出的光经过光纤传播，在光纤的某一点与外界的物理量进行相互作用后，光信号发生变化。
传感器的探测部分是光纤的一段，在传感区域内，光信号的幅度、相位、频率等参数会随着被测量的物理量发生变化。
光纤传感器的工作原理基于光的干涉、散射、吸收等现象。
其中，基于光纤干涉原理的传感器是最常见的类型。
这类光纤传感器一般采用法布里-珀罗特（F-P）干涉仪的结构。
当光纤中
的光信号遇到传感器传感区域的物理量变化时，传感区域的折射率发生改变，导致传感区中的干涉光程差发生变化。
这一变化会通过反射回到光纤，进而对干涉光信号产生影响。
通过测量干涉光信号的变化，可以推断出传感区域中物理量的变化情况。
除了光纤干涉原理外，还有其他一些基于光纤散射和吸收的传感器原理。
光纤散射传感器是利用光在光纤中发生散射的特性，通过测量光的散射强度或相位变化来得到物理量的信息。
光纤吸收传感器则是利用光在光纤中被介质吸收的特性，通过测量吸收光信号的强度变化来推断物理量的变化。
光纤传感器具有体积小、响应速度快、抗电磁干扰强等优点，广泛应用于温度、压力、拉力、位移等物理量的测量领域。
随着技术的不断进步，光纤传感器的精度和可靠性也在不断提高，为工业自动化、医疗、环境监测等领域的应用提供了可靠的检测手段。
光纤传感器基本原理1
实现纵向、径向应变最简便的方法是采用一个空心的 压电陶瓷圆柱筒(PZT)，在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圈 光纤，并在其径向或轴向施加驱动信号，由于PZT筒的直 径随驱动信号变化，故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光 纤承受到应力，光波相位随之变化。
(2)温度应变效应
若光纤放置在变化的温度场中，并把温度场变化等效 为作用力F时，那么作用力F将同时影响光纤折射率、和 长度L的变化。由F引起光纤中光波相位延迟为
(3)反射系数型
光波在入射界面上的光强分配由菲涅尔公式描述，界面强度 反射系数由菲涅尔反射公式给出
由反射系数的菲涅尔公式知道， 当光波以大于临界面(θc=sin-1n)的θ角 入射到n1、n3介质的界面上时，若n3 介质由于压力或温度的变化引起n3的 微小改变，相应会引起反射系数的变 化，从而导致反射光强的改变，利用 这一原理可以设计出压力或温度传感 器。
二、强度调制机理
强度调制光纤传感器的基本原理是待测物理量引起 光纤中的传输光光强变化。通过检测光强的变化实现对 待测量的测量，其原理如下图所示。
Pi Pi
P0 P0
强度调制方式很多，大致可分为以下几种:反射式强度 调制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸 收系数强度调制等等。一般透射式、反射式和折射率强度 调制称为外调制式，光模式称为内调制式。
(1)光纤折射率变化型
一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不同。在温度恒定 时，包层折射率n2与纤芯折射率n1之间的差值是恒定的。当温 度变化时， n2 、 n1之间的差发生变化，从而改变传输损耗。因 此，以某一温度时接收到的光强为基准,根据传输功率的变化可 确定温度的变化。
(2)渐逝波耦合型
通常，渐逝波在光疏媒质中深入距离有几个波长时．能量就 可以忽略不计了。如果采用一种办法使渐逝场能以较大的振幅穿 过光疏媒质，并伸展到附近的折射率高的光密媒质材料中，能量 就能穿过间隙，这一过程称为受抑全反射。
光纤传感器分为几大类
光纤传感器分为几大类
光纤传感器分类
根据光纤在传感器中的作用分
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。
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。
光纤不连续。
此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。
但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。
光纤传感器
光纤传感器结构原理
光纤传感器的分类
光纤传感器的特点
光纤传感器的应用
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斯乃尔定理
光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本原理。 一、斯乃尔定理(Snell's Law) 斯乃尔定理:当光由光密物质(折射率大)出射至光疏物质(折射 率小)时,发生折射。其折射角大于入射角,即：即n1＞n2时，θr ＞θi n1、n2、θ r、θ i之间的数学关系为
n1sinθi=n2sinθr
可见，入射角 θ i 增大时，折射角 θ r 也随之增大，且始终 θ r＞θ i。
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斯乃尔定理
（a）折射角大于入射角：n1 sin i n2 sin r （b）临界状态： i0 arcsin(n2 / n1 ) （c）全反射 ：
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（1）采用弹性元件的光纤压力传感器
1 Y形光纤 2 壳体
3 膜片
利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从 而对光强进行调制。因此，只要设计好合理的弹性元件及 结构，就可以实现压力的检测。上图为简单的利用Y形光纤 束的膜片反射型光纤压力传感器。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。 。
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（b）偏振调制光纤传感器
是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。
法拉第电流传感器
法拉第电流传感器是利用光纤的磁光效应实现电流测量的， 属于偏振调制型。磁光效应，又称法拉第效应，是指某些物质在 外磁场的作用下，使通过它的线偏振光的偏振方向发生偏转。设 材料的长度为 l，沿施加的外磁场强度为 H，则线偏振光通过它后 偏振方向旋转的角度为
传感器与检测技术光纤式传感器
11光控定位光纤开关——光纤式传感器的测试项目描述•光纤开关与定尺寸检测装置是利用光纤中光强度的跳变来测出各种移动物体的极端位置，如定尺寸、定位、记数等。
特别是用于小尺寸工件的某些尺寸的检测有其独特的优势。
如图11-1所示，当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。
•通过本项目的学习。
•主要给大家介绍光纤•式传感器（简称光纤•传感器）工作原理及•相关传感器。
知识准备•光纤传感器的结构和原理•（一）光纤• 1. 光纤结构•光纤透明、纤细，虽比头发丝还细，却具有能把光封闭在其中，并沿轴向进行传播的特征。
中心的圆柱体叫作纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫作包层。
纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。
光纤的结构光缆的外形及光纤的拉制各种装饰性光导纤维发光二极管产生多上海东方明珠种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。
在计算机控制下，可产生动态图案。
光纤的类型阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致，称为多模光纤。
梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。
常用光纤类型及参数如表所示。
纤芯直径包层直径 /m m /mm 类型 单模 折射率分布 数孔径 值 2～880～1250.10～0.15 多模阶跃光纤(玻璃)80～200100～2500.1～0.3 多模阶跃光纤(玻璃/塑料)200～1000230～12500.18～0.50 50～100125～1500.1～0.2 多模梯度光纤2．光纤的传输原理•（1）光的折射定律•当光由光密物质(折射率n)入射至光疏物质(折射率n)时12发生折射光的反射、折射当一束光线以一定的入射角θ1从介质1射到介质2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。
光的全反射当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。
fu-35tz的原理
FU-35TZ是一款基恩士（KEYENCE）品牌的光纤传感器，它主要用于检测光的反射、透射或散射信号，从而实现对物体的位置、距离、速度等参数的测量。
该传感器具有高精度、高灵敏度、高速响应等特点，并广泛应用于工业自动化控制系统中。
FU-35TZ光纤传感器的原理基于光的反射和传输。
传感器由发光器、接收器和光纤组成。
发光器发出一束光，沿着光纤传输到被测物体上，并被物体反射。
反射光再次经过光纤传输到接收器，接收器将接收到的光信号转化为电信号，从而实现物体的检测和测量。
此外，FU-35TZ光纤传感器还具有以下特点：
1. 小光斑、小尺寸：光纤传感器的光斑较小，适用于精确检测。
2. 集成支架：便于安装和使用，可适应各种检测环境。
3. 高温、防水：能在高温或湿润环境下正常工作。
总之，FU-35TZ光纤传感器的原理主要是利用光纤传输和反射光信号，通过测量光信号的变化来实现对物体的检测和测量。
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图4-129 光线在阶跃光纤中的传输
4.12.3 常用光纤传感器
• 光纤传感器的种类很多，工作原理各不相同，但都离不开 光的调制和解调两个环节。光调制就是把某一被测信息加 载到传输光波上，这种承载了被测信息的调制光再由光探 测系统解调，便可获得所检测的信息。
• 常用的光调制有强度调制、相位调制、频率调制和偏振态 调制等几种。每一种类的传感器都可利用上述的各种调制 技术来实现，而每一种具体的调制技术又有很多方法来实 现。因此，这是光纤传感器中非常活跃的研究领域。
频率调制的原理是 利用光学多普勒效 应，即由于观察者 和目标的相对移动， 观察者接受到的光 波频率要发生改变。
图4-135 多普勒效应
2.光纤血流传感器 光 纤血流计是根据多普勒 频移原理制成的新型光 纤传感器，其原理见图 4-136a。它由一根长为 150m，直径为150µm的 光纤和光学系统及信号 处理系统组成。
• 光纤传感器一般可分为两大类，一类是利用光纤本身的某 些特性或功能制成的传感器，称为功能型传感器；另一类 是光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤端面加装其他敏 感元件才能构成传感器，称为传光型传感器。
• 功能型传感器是利用被测量对光纤内传输的光进行调制， 使传输的光的某些特性如强度、相位、频率和偏振态等发 生变化，这种已被调制的光信号，经光电转换成电信号， 再经信号放大或处理后，以被测量的单位和数值表示出来。 可见，光源、光的传输、光电变换和电信号的处理是光纤 传感器的基本要素。
图4-132 利用马赫－泽德干涉仪的光纤涉仪的光纤温度传感器
这种干涉仪利用光纤内多次反射所形成的光束产生干涉。为增加反 射率，光纤的两个端面均抛光并镀有多层介质。光纤的一部分绕在加有 50Hz正弦电压的压电变换器上，因而光纤的长度受到调制。只有在产生 干涉的各光束通过光纤后出现相位差 m （m 是整数）时，输出 才达到最大，光电探测器获得周期性的连续光脉冲。当被测温度变化使 光纤中的光波相位发生变化时，输出脉冲峰值的位置将发生变化，据此 就可反映出温度变化的规律。
• 光纤传感器的光源，常用发光二极管和激光器。光电转换 元件常用光电二极管、光电三极管、光电倍增管等。
4.12.2 光纤及光在其中的传输
1.光纤的结构 光纤的结构见图4-127，它由具有很小直径的 分层玻璃或塑料圆柱体构成。 2.光纤的类型 按照光从纤芯到包层的折射率的变化规律，光 纤可分为阶跃型、渐变型和单模型三种，见图4-128。
图4-136 光纤血流传感器原理 a）原理框图 b）多普勒频移谱
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4.12 光纤式传感器
4.12.1 概述 4.12.2 光纤及光在其中的传输 4.12.3 常用光纤传感器
4.12.1 概述
• 光纤传感技术是随着光纤通信和集成光学技术而发展起来 的一门新型传感技术，例如，灵敏度高，响应速度快，抗 电磁干扰，耐腐蚀，电绝缘性好，防燃防爆，可以柔性绕 屈，适于远距离传输，便于与计算机连接以及与光纤传输 系统组成遥控、遥测等。因此，光纤传感器发展异常迅速。 • 光纤传感器可以检测许多物理量，从原理上讲，几乎所有 物理量都可以用光纤传感器来检测。通常按被测对象不同， 可分为压力、温度、流量、速度、加速度、振动、位移、 转动、电压、电流、磁场、应变及化学量、生物量等光纤 传感器。
光纤振动传感器
1.偏振调制 偏振调制的基本原理是利用某些物质的电光效应、 磁致旋光效应和光弹性效应等，使经过这些物质的光的偏 振态发生变化，从而反映出作用在这些物质上的电、磁及 作用力等的大小，实现对各种物理量的测量。 2.光纤振动传感器 该传感器是一种振动加速度测量系统，利 用光弹性效应引起被调制光强度变化，通过检测被调制后 光强的变化测量加速度。
图4-134 光纤振动传感器的结构 1－光源 2－光探测器 3－起偏器 4－光弹元件 5－振动方向 6－质量块 7－检偏器 8－微透镜
光纤血流传感器
1.频率调制 前述的强度调制、相位调制和偏振调制主要应用 于功能型光纤传感器中。频率调制主要应用于非功能型光 纤传感器中，调制环节在光纤的外面，光纤仅起传输光波 的作用。
图4-131 光纤压力传感器的结构 1－膜片 2－光吸收层 3－垫圈 4－光导纤维 5－桥式光接收器 6－发光二极管 7－壳体 8－棱镜 9－上盖
光纤温度传感器
1.相位调制 相位调制的基本原理是通过被测量场的作用，使 置于被测量场中的一段单模光纤的光波相位发生变化，再 用干涉测量技术把相位变化变换为光强度的变化，从而求 得被测物理量。 2.光纤温度传感器 引起光纤长度和折射率变化的因素主要有： 温度、压力、张力、振动、位移等物理量，因此利用相位 调制也可以制造各种各样的传感器。 利用马赫－泽德干涉仪的光纤温度传感器见图4-132。它由 激光器、扩束器、分束器、两个显微物镜、两根单模光纤 （一根为测量臂，另一根为参考臂）、光电探测器等组成。
光纤压力传感器
1.强度调制 强度调制的原理是以被测参数所引起的光强度 的变化来实现对被测参数的检测的。把一根多模光纤夹持 在两块具有周期性波纹的微弯板（变形器）之间，见图4130。
图4-130 光纤的微弯效应
2.光纤压力传感器 图4-131为基于全内反射破坏原理，实现 光强度调制的一种高灵敏度光纤压力传感器结构。
图4-127 光纤的结构
图4-128 光纤的类型
• 3.光在光纤中的传输 光线以各种不同入射角射到纤芯并射 至纤芯与包层的交界面时，光线在该交界面处有一部分透 射入包层，一部分反射见图4-129。 2 • 数值孔径： NA sin c n12 n 2 • 可见，某种光纤的临界入射角 c 是由光纤的纤芯折射率 n 1 和包层折射率 n 2决定的。 • 数值孔径是向光纤入射信号光波难易程度的参数。光纤的 越大，表示该光纤可以在较大入射角范围内输入全反射光， 并保证此光波能 沿纤芯向前传输。