光纤机械量传感器
光纤传感器设置方法
光纤传感器设置方法光纤传感器是一种利用光纤作为传输介质的传感器。
它通过测量光纤中光的变化来检测环境中的物理量，如温度、压力、形变等。
光纤传感器的设置方法主要包括以下几个步骤：选择合适的光纤传感器、准备传感器安装位置、准备传感器连接设备、完成光纤传感器的设置和校准。
首先，选择合适的光纤传感器。
光纤传感器有许多不同类型，包括光纤气体传感器、光纤压力传感器、光纤温度传感器等。
根据需要选择适合的传感器类型，确保其能满足实际应用的要求。
接下来，准备传感器安装位置。
根据实际应用场景选择合适的安装位置。
一般来说，光纤传感器需要与被测物理量接触或靠近，以便能准确感知物理量的变化。
传感器安装位置的选择应考虑到物理量的分布特点、测量精度要求、传感器安装固定的可行性等因素。
然后，准备传感器连接设备。
光纤传感器通常需要连接到数据采集设备或信号处理器，以便将传感器采集到的信号转换为可供分析和使用的电信号。
根据光纤传感器的接口类型进行选择，例如，USB接口、RS232接口等。
确保传感器连接设备与传感器类型和接口兼容，并具备足够的分辨率和采样率。
接下来，完成光纤传感器的设置和校准。
根据传感器的使用说明和技术手册进行设置和校准。
首先，将传感器正确连接到数据采集设备，并确保连接稳固可靠。
然后，根据传感器的特性和测量要求进行合适的设置，如采样频率、灵敏度等。
最后，进行传感器的校准，以确保其输出信号与实际被测物理量的关系准确可靠。
在进行光纤传感器设置和校准的过程中，需要注意以下几点：首先，保护光纤传感器免受机械和环境损害。
光纤传感器是非常脆弱的，需要小心操作和安装，避免过大的力或弯曲导致光纤断裂。
其次，校准过程要仔细操作，确保测量结果的准确性。
最后，根据需要定期检查和维护光纤传感器，以确保其长期稳定的工作。
总之，光纤传感器的设置方法包括选择合适的传感器类型、准备传感器安装位置、准备传感器连接设备、完成传感器的设置和校准等步骤。
正确的设置和校准过程能够确保光纤传感器的准确可靠工作，并满足实际应用的要求。
数字光纤传感器作用
数字光纤传感器作用数字光纤传感器是一种利用光纤传输信号，实现对物理量测量的装置。
它通过光学原理，将物理量转换为光信号，再通过光纤传输到接收端，经过处理后得到被测物理量的数值。
数字光纤传感器具有高精度、高稳定性、抗干扰能力强等特点，广泛应用于工业控制、医疗、环境监测等领域。
1. 温度测量数字光纤传感器可以通过光纤的热致效应，将温度转换为光信号，通过光纤传输到接收端进行处理。
数字光纤传感器测量温度的精度高，抗干扰能力强，适用于高温、低温、高精度的场合。
在石油、化工、电力等行业中广泛应用。
2. 压力测量数字光纤传感器可以通过光纤的微弯曲变化，将压力转换为光信号，通过光纤传输到接收端进行处理。
数字光纤传感器测量压力的精度高、抗干扰能力强、响应速度快，适用于高温、高压、腐蚀性强的场合。
在航空、航天、汽车、机械等行业中广泛应用。
3. 水位测量数字光纤传感器可以通过光纤的折射变化，将水位转换为光信号，通过光纤传输到接收端进行处理。
数字光纤传感器测量水位的精度高、抗干扰能力强、响应速度快，可应用于各种水位测量场合。
在水利、环保、城市规划等领域中广泛应用。
4. 应变测量数字光纤传感器可以通过光纤的微弯曲变化，将应变转换为光信号，通过光纤传输到接收端进行处理。
数字光纤传感器测量应变的精度高、抗干扰能力强、响应速度快，适用于高精度、高稳定性的应变测量场合。
在航空、航天、汽车、机械等领域中广泛应用。
数字光纤传感器作为一种高精度、高稳定性、抗干扰能力强的测量装置，已经广泛应用于各个领域。
随着科技发展，数字光纤传感器的应用将会更加广泛，为各个行业提供更加精准、稳定的测量服务。
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.
光纤传感器工作原理图及分类
光纤传感器工作原理图及分类
1.光纤传感器及其分类
由于光纤传感器具有不受电磁场干扰、传输信号安全、可实现非接触测量，而且具有高灵敏度、高精度、高速度、高密度、适应各种恶劣环境下使用以及非破坏性和使用简便等等一些优点。
无论是在电量(电流、电压、磁场)的测量，还是在非电物理量(位移、温度、压力、速度、加速度、液位、流量等)的测量方面，都取得了惊人的进展。
光纤传感器分为物性型(或称功能型)与结构型(或称非功能型)两类。
2.工作原理
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。
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。
3.应用
光纤流速传感器
光纤流速传感器由多模光纤、光源、铜管、光电二极管及测量电路所组成。
多模光纤插入顺流而置的铜管中，由于流体流动而使光纤发生机械变形，从而使光纤中传播的各模式光的相位发生变化，光纤的发射光强出现强弱变化。
其振主幅的变化与流速成正比。
光纤传感器的用途
光纤传感器的用途光纤传感器是一种基于光纤技术的传感器，通过利用光的传输特性来实现对各种物理量的测量和检测。
光纤传感器具有高精度、高灵敏度、免受电磁干扰的优点，因此在许多领域都有广泛的应用。
一、工业领域光纤传感器在工业领域中发挥着重要作用。
它可以用于测量温度、压力、位移、流量等各种物理量，广泛应用于生产线的监测和控制系统中。
例如，在机械加工过程中，光纤传感器可以实时监测机床的振动和温度，以保证生产的稳定性和安全性。
此外，光纤传感器还可以用于检测管道中的泄漏、测量液位等。
二、医疗领域光纤传感器在医疗领域中有着广泛的应用。
它可以用于监测患者的心率、血氧饱和度、体温等生理参数，为医生提供准确的数据支持。
此外，光纤传感器还可以用于手术过程中的远程观察和控制，以及药物输送的监测。
光纤传感器的应用不仅提高了医疗设备的精确性和安全性，还为患者提供了更好的医疗体验。
三、环境监测光纤传感器在环境监测领域中也有着重要的应用。
它可以用于测量大气污染物、水质污染物、土壤湿度等环境参数，为环境保护和资源管理提供数据支持。
例如，在水质监测中，光纤传感器可以实时监测水体中的氧气含量、溶解物质浓度等，以及检测水中的微生物和有害物质。
这些数据可以帮助环境科学家了解环境变化的情况，为环境保护提供决策依据。
四、安全监控光纤传感器在安全监控领域中也有着广泛的应用。
它可以用于火灾报警、入侵检测、地震监测等方面。
例如，在火灾报警系统中，光纤传感器可以实时监测建筑物内部的温度和烟雾浓度，及早发现火灾的迹象并报警。
此外，光纤传感器还可以用于地震监测，通过监测地下光纤的扭曲和拉伸来判断地震的发生和强度，为地震预警提供重要依据。
五、交通运输光纤传感器在交通运输领域中也有着重要的应用。
它可以用于测量车辆的速度、重量、位置等参数，以及监测道路的状况。
例如，在交通管理中，光纤传感器可以实时监测道路上的车辆流量和拥堵情况，帮助交通部门优化交通流量和改善道路拥堵问题。
光纤位移传感器的工作原理
光纤位移传感器的工作原理一、引言光纤位移传感器是一种非接触式的测量设备，广泛应用于机械结构的位移、振动和形变等参数的测量。
本文将详细介绍光纤位移传感器的工作原理。
二、光纤传感器的基本原理光纤传感器是利用光学原理来实现物理量测量的一种传感器。
它是由一个发射端和一个接收端组成，通过光学纤维将信号从发射端传输到接收端。
当物理量改变时，会引起光学纤维中的某些参数发生变化，从而影响到信号在光学纤维中的传播特性。
通过对这些参数进行测量，就可以得到物理量的值。
三、光纤位移传感器的结构光纤位移传感器由发射端、接收端和一根被测物体上固定的光学纤维组成。
其中，发射端和接收端分别安装在被测物体两侧，并通过一根长约1-2米的单模或多模光学纤维相连。
四、工作原理当被测物体发生微小形变时，会引起固定在其上的光学纤维长度发生微小变化。
这种变化会导致光学纤维中的折射率、弯曲半径和光程等参数发生变化，从而影响到信号在光学纤维中的传播特性。
具体地说，当发射端向光学纤维中注入一束激光时，该激光会沿着光学纤维传输，并在接收端产生一个输出信号。
由于被测物体的微小形变会引起光学纤维长度的微小变化，因此会对信号产生影响。
这种影响可以通过以下两种方式进行测量：1.时间域反射法时间域反射法是将一束短脉冲激光发送到被测物体上的光学纤维中，并在接收端检测反射回来的信号。
由于反射信号的到达时间与被测物体上某一点到发射端之间的距离成正比，因此可以通过测量反射信号的到达时间来计算出被测物体上该点到发射端之间的距离。
2.频域干涉法频域干涉法是将两束相干激光分别从发射端和接收端注入到光学纤维中，并通过检测两束激光之间的干涉信号来计算出被测物体上某一点到发射端之间的距离。
由于两束激光在不同的路径上传播，因此会产生一定的相位差，这种相位差可以通过干涉信号的频率来测量。
五、总结光纤位移传感器是利用光学原理来实现物理量测量的一种传感器。
它通过测量光学纤维中的折射率、弯曲半径和光程等参数来计算出被测物体上某一点到发射端之间的距离。
光纤传感器的特点有哪些
1. 光纤传感器的特点有哪些，并就某种应用领域举例说明利用了光纤传感器的哪些优点。
(1) 传感器探头尺寸小，易于在狭小空间实现对被测量的检测；(2) 由于依靠光子而不是电子来感受和传输信号，所以传感器电绝缘、防燃、防爆、抗电磁干扰、安全性好；(3) 由于光纤本身多由石英制成，可耐酸碱腐蚀、可在高温、高压环境下使用；(4) 光子在光纤中的传输损耗低，并可以柔性弯曲，适合远距离在线检测；(5) 光纤传感器灵敏度高、信号频带宽；(6) 光纤传感器种类繁多、可根据不同的使用场合和要求，选用不同种类的结构形式和检测方法。
精密机械测量（测量内螺纹、内孔径）：光纤传感器探头尺寸小，易于在狭窄的空间中检测2. 画图说明光纤光栅的结构、特性以及其在电流测量和倾斜角度测量时的原理。
一宽谱光源入射进入光纤，经过光纤光栅会有的光反射，其他光透射。
反射的中心波长，跟光栅周期Λ、纤芯的有效折射率n 有关。
因此，当外界引起光纤光栅温度、应力改变时，会导致反射的中心波长的变化。
中心波长移动量与温度、应变的关系g 12g k k T λελ∆=∆+∆因此得到表达式()f λε∆=∆电流传感器方案倾斜角度传感器方案3.画图并说明光纤耦合器与光纤环形器在功能上有什么区别。
耦合器：将输入信号分成两路或者更多路输出，或者将两路或更多路输入信号合并成一路输出。
光信号在每条支路分配的比例可以不相同。
方向性：光从端口入射，只能从另一端口射；双向性：光从哪边端口入射都可以。
环形器：偏振现象。
作为一个单行道使光通过一系列的端口，进入端口1的光必须到端口2，进入端口2的光必须到端口3，以此类推。
4.画图并说明光纤耦合器与光开关在功能上有什么区别。
光开关：（3个）①将某一光纤通道的光信号切断或开通；②将光信号从某一光纤通道转移到另一光纤通道；③在同一光纤通道中，将某一波长的光信号转换为另一波长的光信号。
5.画图并说明光纤耦合器与波分复用器和解波分复用器在功能上的区别。
光纤传感器原理及应用技术
光纤传感器原理及应用技术光纤传感器是一种基于光学原理进行测量和检测的传感器，它通过利用光纤的特性，将光信号转换为电信号，实现对被测量物理量的测量。
光纤传感器具有高精度、即时响应、抗干扰能力强等优点，在许多领域得到了广泛的应用。
光纤传感器的原理是基于光的传播和反射原理。
光纤是一种由光纤芯和包覆层组成的细长材料，光信号在光纤芯内由于全反射而传输。
当外部环境发生变化时，比如温度、压力、湿度等物理量发生变化时，会引起光纤芯的折射率发生变化，进而改变光信号传播的特性，通过对光信号的检测和分析，可以得到被测物理量的信息。
1.光纤光栅传感器：光纤光栅传感器是一种利用光纤中的光栅结构实现测量的技术。
当外界物理量作用于光栅上时，光栅的折射率、光栅常数等参数会改变，进而改变光纤中光信号的传播特性。
利用对光信号的分析，可以实现对温度、压力、应变等物理量的测量。
光纤光栅传感器具有高精度、远距离传输、抗干扰能力强等优势，在工业、航空航天、环境监测等领域得到广泛应用。
2.光纤光耦合传感器：光纤光耦合传感器是一种利用光纤与被测物之间的光耦合效应实现测量的技术。
光纤输入端将光源发出的光信号通过总反射等机制输入到被测物上，在被测物上发生反射、散射等光学效应后，再传回到光纤输出端。
通过对光信号的分析，可以得到被测物的信息，如距离、位置、形变等。
光纤光耦合传感器可以实现远距离测量、抗干扰能力强等优点，广泛应用于机械制造、机器人、石油勘探等领域。
3. 光纤陀螺仪：光纤陀螺仪是一种利用光学运动学原理实现姿态变化测量的传感器。
光纤陀螺仪利用光纤中的Sagnac效应，在光纤环结构中通过激光的传播过程实现对旋转加速度和角速度的测量。
光纤陀螺仪具有无惯性元件、高精度、稳定性好等优点，在惯导、导航、航空航天等领域得到广泛应用。
总之，光纤传感器以其高精度、远距离传输、抗干扰能力强等优点，在物理量测量领域得到了广泛的应用。
随着光学技术的不断发展，光纤传感器的性能会不断提升，应用领域也会不断拓展。
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6.3.2 微弯曲光纤水声传感器
6.3.3 动态压力传感器
这种压力传感器的灵敏度 极高，有很大的实用价 值．尤其适用于微声压的测 量，对测量空间尺寸受限场 合应用更是优越。它的工作 带宽从直流可到20 MHz.
6.3.4 偏振调制光纤压力和水声传感器
6.4 光纤应变传感器
• 采用脉冲传输时间法可以测量自由空间 光路的长度。这种方法通过测量光信号 到达靶体又反射回来所占用的时间来确 定光经过的距离。
第六章 光纤机械量传感器
光纤机械量传感器可分为传光型(非功能型) 和传感型(功能型)两类。
其调制方式可以是光强调制、相位调制、偏 振调制以及频率调制等。
传光型强度调制光纤传感器使用的调制技 术分外调制和内调制。
外调制技术由外加敏感元件控制光源传输 到探测器的光量。外加敏感元件可以是透 射式的．拆射率式的和反射式的。
式中A是光纤的横截面积。 ΔT是每根光纤中拉应 力变化的幅度；系数2是由于存在两根伸长和缩短 光纤。E是光纤的杨氏模量。
光束通过光程L的相移可用下式表示
6.7 光纤振动传感器
• 光纤振动传感器常用于现场监测，测量 的频率范围为20~200Hz，测量的振幅为 数微米到百分之几微米，
6.7.1 相位调制光纤振动传感器
6.2 光纤位移传感器
• 光纤位移传感器可分为外调制式和内调 制式两类。
6.2.1 外调制式位移传感器
透射式位移传感器，采用两根同样芯径的光纤， 并将两根光纤的端面靠近装配到一起。光从一根 光纤输出，通过两根光纤间微小空隙，进入另一 根光纤。
6.2.2 内调制式位移传感器
利用微弯效应制作的位移传感器是一种典型的内调制式光 纤传感器。微弯效应即待测物理量变化引起微弯器位移， 从而使光纤发生微弯变形，改变模式锅台，纤芯中的光部 分透人包层，造成传输损耗。微弯程度不同，泄漏光波的 强度也不同、从而实现了光强度的调制。由于光强与位移 之间有一定的函数关系，所以利用微弯效应可以制成光纤 位移传感器.
• 理论和实验都已证明，使光纤沿轴向产
生周期性微弯时，传播常数为 和 ' 的
模之间就会产生光功率的耦合。波纹板
周期的长度 Λ与传播常数间满足下式：
He—Ne激光器发射出来的光聚焦到阶跃型多模光纤 的一端。此光纤没有被复层，数值孔径等于0.22. 在 变形器前5cm长的光纤上除上黑色涂料，以便消除包 层模中的光。
传感器的技术指标:
1．灵敏度 2．线性度 3．噪声 4．信噪比
6.2.3 相位干涉式位移传感器
Mach-Zehnder光纤干涉仪是应用较为广泛的一种干涉仪。 可以用于测量位移，其工作原理如图5—22
• 外施力可以直接产生传感臂光纤长度L和直径d变化以及折 射率n变化。
•为了改善光纤对压力的传感灵敏度，通常在包层外再涂复一 层特殊材料。传感臂上涂复材料具有“增敏”特性，而参考 光纤涂复材料对传感量具有“去敏”特性。这样可以有效提 高检测信噪比。
6.5 光纤表面粗糙度传感器
• 用光纤测量表面粗糙度，主要是利用它 对光信导的传输特性。
6.6 光纤加速度传感器
• 加速度有各种形式．如直线加速度，曲 线加速度及振动加速度等。光纤加速度 传感器最适合测量微小振动加速度。
• 6.6.1 振动加速度传感器原理
当低频振动时，Δx与惯 性力成比例．即与物体 的振动加速度成比例。
光纤布喇格光栅的原理是由于光纤芯区折 射率周期变化造成光纤波导条件的改变， 导致一定波长的光波发生相应的模式祸 合，使得其透射光谱和反射光谱对该波 长出现奇异性，图 5.1 表示了其折射率分 布模型。整个光纤曝光区域的折射率分 布可表示为：
* 光纤光栅传感器
• 光纤光栅传感器(FBG)是利用 Bragg波长 对温度、应力的敏感特性而制成的一种 新型的光纤传感器。
光纤光栅工作原理
感光折射率 n 包层折射率 n2
包层
芯层折射率 n1
λ1 λ2 …λn
λ2 …λn
Λ
λ1
芯层
相位掩模板
紫外掩模写入法
+1级
-1级
包层 芯层
1 、光纤布喇格光栅原理
• 用光纤做测量光路，传输时间法可适用 于任意弯曲光路及其变化的测量。
系统的振荡周 期为
式中L是光纤长 度；Ng=c/Vg是 光纤群速度折射 率；τel是放大器、 鉴别器和导线产 生的电延迟时间，
如果忽略材料色散，即Ng＝N， 由弹性光学理论可以求得
式中Pij是平均应变光弹系数； γ是材料的泊松比。
•当光纤表面涂复对其它物理量敏感的材料时，例如磁致伸缩 材料、铝导电膜和压电材料等，则可以实现对其它物理量， 如磁场、电流、电压等的检测。
6.3 光纤压力和水声传感器
• 测量压力和水声，通常可以采用反射式 或微弯型光强调制光纤传感器，也可以 采用相位调制光纤传感器和偏振调制光 纤传感器。
6.3.1 全内反射光纤压力传惑器
当振动频率提高到振动 子的固有振动频率时， 产生共振。这时距离x与 加速度不存在比例关系。
如果振动频率再进一步 提高．重物就停止振动， 呈现相对静止状态。只 有位移。
6.6.2 相位调制光纤加速度传感器
让加速度计的外壳以加速度a垂直向上运动， 那么在加速该物体所需的作用力F的作用 下，上面的一段光纤伸长ΔL，下面的光 纤则缩短ΔL。这一过程可表示为
透射式敏感 元件对传输光 的影响，实际 上是一种对被 测物理量的模 拟及开关测量。
反射式光纤敏感元件通常是 由入射光传输光纤和反射光 收集光纤制成一光纤束。
强度调制光纤传感器的内调制技术是指无需外 加敏感元件，而靠改变光纤自身的传输特性来 实现传输光强度调制。
其中最典型的是利用微弯效应实现光强调制。当 光纤存在微弯曲时，光纤芯中的传导模就会逸 出到包层成为包层模，从而使传输光能量衰减。 如果光纤的微弯曲是由外施力或压力产生的， 接收光强变化就与生成光纤形变的物理量有关。
变形器由两块有机玻璃波纹板பைடு நூலகம்成，每块波纹板共 有5个波纹，每个波纹的长度为3M。变形器的一块波 纹板可通过千分表用手动调节的方法使它相对另一 块产生位移。另一块板可用压电式变换器产生动态 位移。
用体积为1cm3的灌满甘油的检测器检测包层模中 的光信号。该检测器的6个内表面安装着6个太 阳能电池。检测器的直流输出用数字式毫伏表 读数、而交流输出用锁相放大器检测．并由记 录仪记录放大器的输出。