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。
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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.
光纤传感器结构原理及分类
光纤传感器结构原理及分类光纤传感器是一种采用光纤作为传感元件的传感器。
光纤传感器的工作原理是利用在光纤中传输的光所起的作用，通过测量光的参数的变化来实现测量或检测的目的。
光纤传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强、体积小和耐腐蚀等优点，在工业、医疗、环境监测等领域有广泛的应用。
光纤传感器的结构主要包括光源、光纤、光纤连接和光纤接收器等部分。
光源产生光信号，通过光纤传输到被测点，然后由光纤接收器接收反射回来的光信号，并将其转换为电信号进行分析和测量。
根据测量的不同参数，光纤传感器可以分为以下几种分类。
1.压力传感器：压力传感器是一种测量液体或气体压力的传感器。
压力传感器利用压力对光纤的传输特性（如弯曲、伸长或挤压）产生的变化来实现测量。
常见的压力传感器有光纤拉曼散射压力传感器和光纤布里渊散射压力传感器等。
2.温度传感器：温度传感器是一种测量温度变化的传感器。
温度能够改变光纤的色散、折射率和长度等特性，通过测量这些变化来实现温度的测量。
常见的温度传感器有光纤布里渊散射温度传感器和光纤拉曼散射温度传感器等。
3.湿度传感器：湿度传感器是一种测量湿度变化的传感器。
湿度对光纤的折射率和损耗等参数产生影响，通过测量这些参数的变化来实现湿度的测量。
常见的湿度传感器有光纤菲涅耳衍射湿度传感器和光纤布里渊散射湿度传感器等。
4.气体传感器：气体传感器是一种测量气体浓度的传感器。
气体的成分和浓度对光纤的折射率、吸收和散射等特性产生影响，通过测量这些参数的变化来实现对气体的测量。
常见的气体传感器有光纤红外吸收气体传感器和光纤光谱吸收气体传感器等。
5.应力传感器：应力传感器是一种测量物体受力变化的传感器。
应力对光纤的拉伸或挤压产生的变形影响光的传输特性，通过测量光纤的变形来实现对应力的测量。
常见的应力传感器有光纤布里渊散射应力传感器和光纤拉曼散射应力传感器等。
除了以上的分类，光纤传感器还可以根据测量原理和传输方式来进行分类。
例如，根据测量原理，光纤传感器可以分为离散光纤传感器和连续光纤传感器；根据传输方式，光纤传感器可以分为点型光纤传感器和线型光纤传感器等。
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。
光纤传感器工作原理
光纤传感器工作原理光纤传感器是一种利用光学原理进行测量的传感器。
相比传统的电信号传感器，光纤传感器具有更高的灵敏度、更大的频带宽度和更好的抗干扰性能，因此在工业、医疗、环境监测等领域得到广泛应用。
光纤传感器的工作原理基于光的传播和传感效应。
光纤传感器通常由光源、光纤、敏感元件和光电转换器组成。
在光纤传感器中，光源发出一束光经过光纤进行传播。
光纤是一种能够将光信号限制在光纤内部的细长光导波装置，通常由具有高折射率的芯和具有低折射率的包层构成。
光信号在光纤中的传播受到光纤材料的折射特性和光纤结构的影响。
在光纤传感器中，常用的敏感元件有光纤光栅和光纤干涉仪。
光纤光栅是用特殊的制备工艺在光纤的芯或包层中形成的周期性折射率变化的光学结构，可以实现对光的频率、幅度和相位等参数的敏感检测。
光纤干涉仪则利用光纤在传播过程中发生的干涉现象进行测量，通过改变光波在不同光纤路径中的相位差，可以获取被测物理量的信息。
光纤传感器中的敏感元件接收到通过光纤传播过来的光信号后，将其转换成与被测物理量相关的光学信号。
然后，光学信号通过光电转换器转换为电信号，经过放大、处理和解码等步骤后，最终得到与被测物理量相关的结果。
光纤传感器的工作原理可以通过以下几个方面来解释：1. 光纤传感器的基本原理是利用光的折射和传播规律。
当光束从一个介质传播到另一个介质时，由于光在不同介质中的折射率不同，光束的传播方向会发生偏折。
通过对光束的偏折进行测量，可以得到与被测物理量相关的信息。
2. 光纤传感器的工作过程涉及到光的干涉现象。
干涉是指两个或多个光波相互叠加形成的干涉图样。
在光纤传感器中，通过使光波在光纤中沿不同路径传播，利用不同路径上光波的相位差来实现测量。
当被测物理量发生变化时，导致光线的路径长度或相位发生变化，从而引起干涉图样的变化。
3. 光纤传感器的敏感元件可以是光纤光栅或光纤干涉仪。
光纤光栅是通过将光纤的芯或包层制作成具有周期性折射率变化的结构，利用光在光纤光栅中的反射和折射等效应进行测量。
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
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。
返 回 上一页 下一页 4
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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30
（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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24
（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
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。
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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。
(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
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
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
重要厂家站点链接
紫珊光电 | 微米光学国际北京代表处| 上海光学精密机械研究所上海光子光电传感设备有限公司。