第12章光纤传感器
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精品文档-传感器原理及应用(郭爱芳)-第12章
第12章 智能传感器 图12.2 DTP型智能式压力传感器的结构
第12章 智能传感器
12.2.1 基本传感器 1. 传感器的主要技术要求 (1) 具有将被测量转换为后续电路可用信号的功能； (2) 转换范围与被测量实际变化范围一致，转换精度符
合在整个系统的总精度要求下而分配给传感器的精度指标(一 般应优于系统精度的十倍左右)，转换速度应符合整机要求；
分析与处理功能，可完成非线性、温度、噪声、响应时间以及 零点漂移等误差的自动修正或补偿，提高测量准确度；
(2) 自校准、自诊断功能：实时进行系统的自检和故障 诊断，在接通电源时进行开机自检，在工作中进行运行自检， 自动校准工作状态，自行诊断故障部位，提高工作可靠性；
(3) 自适应、自调整功能：根据待测量的数值大小和工 作条件的变化情况，自动调整检测量程、测量方式、供电情况、 与上位机的数据传送速率等，提高检测适应性；
(4) 电源引起的失调：电源电压变化1%所引起放大器的 漂移电压值。一般数据采集系统的前置放大器常用稳压电源供 电，该指标是设计稳压电源的主要依据。
第12章 智能传感器
1. 仪用放大器 仪用放大器常采用三运放对称结构且具有较高的输入阻抗 和共模抑制比的单片集成放大器，只需外接一个电阻即可设定 增益，如美国BB(Burr Brown)公司生产的INA114, 美国 AD(Analog Devies)公司生产的AD521、AD524、AD8221等。 INA114是一种通用的仪用放大器，尺寸小、精度高、价格低 廉，可用于电桥、热电偶、数据采集以及医疗仪器等，其内部 电路如图12.3所示。
(3) 满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、 耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和 不耗电(或耗电少)等；
光电光纤传感器原理应用培训资料
13
14
国际上，如欧姆龙光纤传感器其光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件， 光在光纤内受被测量调制，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。 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受 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。灵 敏度较低。 实用化的大都是非功能型的光纤传感器。欧姆龙光纤传感器是最近几年出现的新 技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速 度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电 磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。
6
1、因反射体中使用了棱镜，所以与通用的反射型光控传感器器 相比，其检测性能更高、更可靠 2 、与分离式光控传感器相比，电路连接更简单容易。 3、 子母扣嵌入式的设计，安装更为简单 4、几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传 感器； 5、可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等） 的器件；
7
3原理
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，导致光的光学性质发生变化， 称为被调制的信号光，再利用被测量对光的传输特性施加的影响，完成 测量。
8
4分类
根据光纤在传感器中的作用可以分为：一类是功能型 （Functional Fiber，缩写为FF)传感器，又称为传感型传感器； 另一类是非功能型（Non Functional Fiber缩写为NFF)，又称为 传光型传感器； 根据光受被测对象的调制形式可以分为：强度调制型、偏振 态制型、相位制型、频率制型； 根据光是否发生干涉可分为：干涉型和非干涉型； 根据是否能够随距离的增加连续地监测被测量可分为：分布 式和点分式； 。
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国际上，如欧姆龙光纤传感器其光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件， 光在光纤内受被测量调制，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。 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受 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。灵 敏度较低。 实用化的大都是非功能型的光纤传感器。欧姆龙光纤传感器是最近几年出现的新 技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速 度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电 磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。
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1、因反射体中使用了棱镜，所以与通用的反射型光控传感器器 相比，其检测性能更高、更可靠 2 、与分离式光控传感器相比，电路连接更简单容易。 3、 子母扣嵌入式的设计，安装更为简单 4、几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传 感器； 5、可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等） 的器件；
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3原理
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，导致光的光学性质发生变化， 称为被调制的信号光，再利用被测量对光的传输特性施加的影响，完成 测量。
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4分类
根据光纤在传感器中的作用可以分为：一类是功能型 （Functional Fiber，缩写为FF)传感器，又称为传感型传感器； 另一类是非功能型（Non Functional Fiber缩写为NFF)，又称为 传光型传感器； 根据光受被测对象的调制形式可以分为：强度调制型、偏振 态制型、相位制型、频率制型； 根据光是否发生干涉可分为：干涉型和非干涉型； 根据是否能够随距离的增加连续地监测被测量可分为：分布 式和点分式； 。
光纤传感器ppt讲解可修改文字
NA n12 n22
n n 1为纤芯折射率 ， 2 为包层折射率
arcsinNA是一个临界角，
θ> arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；
θ< arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。
数值孔径的意义是无论光源发射功率有多大，只有2 张角之内的光被
光纤接受传播。一般希望光纤有大的数值孔径，这样有利于耦合效率的提高。 但数值孔径越大，光信号将产生大的“模色散”，入射光能分布在多个模式 中，各模式速度不同，因此到达光纤远端的时间不同，信号将发生严重的畸
非功能型光纤传感器
传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的媒介， 待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的， 光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。
三 介绍几种光纤传感器
1，光纤压力传感器
Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如 图。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。
6 光纤传感器的类型
光纤传感器按其作用方式一般分为两种类型： 一 功能型光纤传感器， 二 非功能型光纤传感器。
功能型光纤传感器
这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏 感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且 在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学 特性得到调制，调制后 的信号携带了被测信息。
（3）传输损耗
由于光纤纤芯材料的吸收、散射、光纤弯曲处的辐射损耗等 的影响，光信号在光纤中的传播不可避免地要有损耗，光纤的传输 损耗A可用下式表示
-10 lg I0
A=
I
L
式中 L ——光纤的长度 I0——光纤入射端的光强 I——光纤输出端的光强
n n 1为纤芯折射率 ， 2 为包层折射率
arcsinNA是一个临界角，
θ> arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；
θ< arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。
数值孔径的意义是无论光源发射功率有多大，只有2 张角之内的光被
光纤接受传播。一般希望光纤有大的数值孔径，这样有利于耦合效率的提高。 但数值孔径越大，光信号将产生大的“模色散”，入射光能分布在多个模式 中，各模式速度不同，因此到达光纤远端的时间不同，信号将发生严重的畸
非功能型光纤传感器
传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的媒介， 待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的， 光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。
三 介绍几种光纤传感器
1，光纤压力传感器
Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如 图。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。
6 光纤传感器的类型
光纤传感器按其作用方式一般分为两种类型： 一 功能型光纤传感器， 二 非功能型光纤传感器。
功能型光纤传感器
这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏 感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且 在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学 特性得到调制，调制后 的信号携带了被测信息。
（3）传输损耗
由于光纤纤芯材料的吸收、散射、光纤弯曲处的辐射损耗等 的影响，光信号在光纤中的传播不可避免地要有损耗，光纤的传输 损耗A可用下式表示
-10 lg I0
A=
I
L
式中 L ——光纤的长度 I0——光纤入射端的光强 I——光纤输出端的光强
传感器原理与应用课程标准
传感器原理与应用课程标准《传感器原理与应用》课程标准课程名称：传感器原理与应用适用专业：电子信息工程专业计划学时：54课程编号：物理b03112第一部分课程概述一、课程的性质本课程是高等职业技术学校“电子电气技术应用类”专业的一门重要的专业核心课程，其专业性、实践性很强，是本专业学生必修的综合技术应用课程之一。
其主要包括传感器的认识、结构原理和使用方法，并在此基础上分别介绍常用传感器应用技术及实用电路的分析与设计。
所选的电路具有设计新颖、结构合理、性能优良和实用性强等特点。
通过本课程的自学和技能训练，并使学生能够重新认识传感器，介绍测量基本原理，认知各种传感器展开非电量电测的方法，掌控传感器的基本结构和采用方法。
初步具有新颖传感器的应用领域和电路制作技能，并介绍适当的测量切换电路、信号处理电路的原理及各种传感器在工业中的应用领域。
先修的课程：高等数学、电路、模拟电路。
二、课程的基本理念本课程贯彻“以就业为导向，以能力为本位”的职教思想，以学生将来从事的职业岗位群所需要的相关知识和基本技能为依据，以项目课程为主体的模块化专业课程体系，它突破了学科为中心的课程体系，减少理论推导，重点突出应用。
将学科内容按“项目”进行整合，在内容安排上也是由简到繁，逐步深入，已应用性教学为主，注重增强学生的能力。
三、课程的设计思路本课程讲解的内容以实用为主，原理分析通俗易懂。
各章节中典型传感器应用电路的分析和测试，融合常用传感器的基本知识。
课程内容包含了传感器检测若干个项目，每个项目又分为若干个典型工作任务，每个任务将相关知识和实践实验进行有机的结合，突出实际应用，减少理论推导，注重培养学生的实际应用能力和分析解决问题的实际工作能力。
据本课程的教学目标，以各种测量手段为主线，传感器的应用贯穿课程整个内容，让学生在用什么、学什么、会什么的过程中，逐步掌握专业技能和相关专业知识，培养学生的实际操作能力。
由于本课程与实际联系紧密，理论教学和实践实验训练有机结合，对学生的成绩评定应采用新的评价方式。
光纤传感器ppt
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
第12章 光纤传感器
反射式光纤位移传感器
➢ 利用光纤实现无接触位移测量 光源经一束多 股光纤将光信号传送至端部;并照射到被测物体 上 另一束光纤接受反射的光信号;并通过光纤 传送到光敏元件上 被测物体与光纤间 距离变化;反射到 接受光纤上;光通 量发生变化 再通 过光电传感器检测 出距离的变化
温度压力光纤传感器
✓ 中心——纤芯；
✓ 外层——包层；
包层
✓ 护套——尼龙料
性质
✓ 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质;
✓ 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2N1＞N2
第12章 光纤传感器
1光纤的结构和传输原理 ②光纤的传光原理： 光纤的传播基于光的全反射 当光线以不同角 度入射到光纤端面时;在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时;光线
第12章 光纤传感器
2光纤的性能几个重要参数 ③传播损耗A
➢ 光纤在传播时;由于材料的吸收 散射和弯曲 处的辐射损耗影响;不可避免的要有损耗
用衰减率A表示：
A10lg(I1/I2)(dB/Km) l
I1 I2：两接收光纤的光强 在一根衰减率为10dB/Km的光纤中;表示当光纤传输
1Km后;光强下降到入射时的1/10
干涉现象 微小弯曲损失
散射损失
双波长透射率 变化
反射角变化
石英系玻璃 旋转圆盘
石英系玻璃 石英系玻璃 薄膜+膜条 C45H78O2+VL2255N
振子
薄膜
生成着色中心
光纤束成像 多波长传输 非线性光学
第12章 光纤传感器
反射式光纤位移传感器
➢ 利用光纤实现无接触位移测量 光源经一束多 股光纤将光信号传送至端部;并照射到被测物体 上 另一束光纤接受反射的光信号;并通过光纤 传送到光敏元件上 被测物体与光纤间 距离变化;反射到 接受光纤上;光通 量发生变化 再通 过光电传感器检测 出距离的变化
温度压力光纤传感器
✓ 中心——纤芯；
✓ 外层——包层；
包层
✓ 护套——尼龙料
性质
✓ 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质;
✓ 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2N1＞N2
第12章 光纤传感器
1光纤的结构和传输原理 ②光纤的传光原理： 光纤的传播基于光的全反射 当光线以不同角 度入射到光纤端面时;在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时;光线
第12章 光纤传感器
2光纤的性能几个重要参数 ③传播损耗A
➢ 光纤在传播时;由于材料的吸收 散射和弯曲 处的辐射损耗影响;不可避免的要有损耗
用衰减率A表示：
A10lg(I1/I2)(dB/Km) l
I1 I2：两接收光纤的光强 在一根衰减率为10dB/Km的光纤中;表示当光纤传输
1Km后;光强下降到入射时的1/10
干涉现象 微小弯曲损失
散射损失
双波长透射率 变化
反射角变化
石英系玻璃 旋转圆盘
石英系玻璃 石英系玻璃 薄膜+膜条 C45H78O2+VL2255N
振子
薄膜
生成着色中心
光纤束成像 多波长传输 非线性光学
光纤传感器介绍
2019/10/1
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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。
2019/10/1
3
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。
2019/10/1
4
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
23
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
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。
2019/10/1
中南大学传感与检测光电光纤和红外传感器
在光照射下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现 象称为外光电效应，也叫光电发射效应。其中，向外发射的 电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。 基 于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。
光子是具有能量的粒子，每个光子的能量E=h，其中， h=6.626×10-34J·s，是普朗克常数；是光的频率(s-1)。
波长3m（即3000nm）以下的称近红外线
波长超过3m 的红外线称为远红外线。
光谱分布如下图所示。
中南大学传感与检测光电光纤和红 外传感器
12.1 光电式传感器
12.1.1 概述
1）光谱
0.01
波长/m
0.05 极远紫外
0.1
0.5 1
外 远外 近 可见光 近红外 紫紫
5 10 远红外
频率/Hz 3×1018
LED的典型光谱特性：
如图，GaAsP的曲线有 两根，其材质成分差异敏 相 导致不同峰值波长(p)度。对
1. .8 .6
p决定发光颜色，峰 灵 .4
GaP
p=565nm
GaAsP GaAs
p=670nm p=950nm
GaAsP
p=655nm
宽()决定光的色彩纯 .2
度，越小，光色越中纯南大。学传感0与检测光60电0光纤和7红00
中南大学传感与检测光电光纤和红 外传感器
12.1 光电式传感器
12.1.2 光电效应
1）外光电效应 根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，
要使一个电子从物体表面逸出，光子能量必须大于该物体的 表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。 光电子的产生取决于其能量是否大于物体的表面电子逸出功。 不同物质有不同的逸出功，即每种物质都有其对应的光频阈 值，称为“红限”频率或波长限。
光子是具有能量的粒子，每个光子的能量E=h，其中， h=6.626×10-34J·s，是普朗克常数；是光的频率(s-1)。
波长3m（即3000nm）以下的称近红外线
波长超过3m 的红外线称为远红外线。
光谱分布如下图所示。
中南大学传感与检测光电光纤和红 外传感器
12.1 光电式传感器
12.1.1 概述
1）光谱
0.01
波长/m
0.05 极远紫外
0.1
0.5 1
外 远外 近 可见光 近红外 紫紫
5 10 远红外
频率/Hz 3×1018
LED的典型光谱特性：
如图，GaAsP的曲线有 两根，其材质成分差异敏 相 导致不同峰值波长(p)度。对
1. .8 .6
p决定发光颜色，峰 灵 .4
GaP
p=565nm
GaAsP GaAs
p=670nm p=950nm
GaAsP
p=655nm
宽()决定光的色彩纯 .2
度，越小，光色越中纯南大。学传感0与检测光60电0光纤和7红00
中南大学传感与检测光电光纤和红 外传感器
12.1 光电式传感器
12.1.2 光电效应
1）外光电效应 根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，
要使一个电子从物体表面逸出，光子能量必须大于该物体的 表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。 光电子的产生取决于其能量是否大于物体的表面电子逸出功。 不同物质有不同的逸出功，即每种物质都有其对应的光频阈 值，称为“红限”频率或波长限。
光纤传感器及其应用技术
和民用两大应用领域， 其中包括： 国土安全防卫系统、 大型构件的健康诊断系统、 电力工业的 安全检测系统以及用于石油化工、 生物医学和环境等领域的光纤检测系统。 我国虽然早已 园世纪 苑 园年代末期开始了光纤传感技术的研究工作 ， 于圆 但是由于受到制造工艺、 器件和配 园年， 套电子技术的制约， 一直未能进入大规模工程应用阶段。 直到最近 员 随着光纤技术的
光纤传感器及其应用技术
黎敏 摇 廖延彪 摇 编著
武汉大学出版社
内 容 简 介
作为现代传感技术的重要分支，光纤传感技术在许多领域具有替代传统传感器、 弥补 传感领域空白的先天优势。本教材以光纤传感器为核心，着重详细讨论了强度调制型、 相 位调制型、 波长调制型和偏振态调制型四大类型传感器以及分布式光纤传感器的原理 、 技术 — —网络技术和封装技术； 和设计方法； 有选择地介绍了光纤传感的两项核心技术 — 首次将光 — —聚合物光纤传感器、 纤传感最新研究方向新材料光纤传感器 — 光子晶体光纤传感器以及 微米和纳米光电传感器纳入教材。 教材内容覆盖了光纤传感领域的方方面面 ，特别是对传感器的讨论细致、 深入，并列 举了大量的应用设计实例。由于有教学科研的相辅相长，对学科最新技术和进展的介绍全 面、 贴近工程应用实际。可作为电子信息类相关专业的教材，同时对相关领域的科研及实 际工作者了解学科的前沿动态、 启发创新思维有较高的参考价值 。
摇摇员 援 源 援 缘 摇光调制器 ………………………………………………………………………… 源 猿 摇摇员 援 缘 援 员 摇光纤传感器的定义和分类 ……………………………………………………… 源 苑 摇摇员 援 缘 援 圆 摇光纤传感器的特点 ……………………………………………………………… 源 愿 摇习题与思考 ………………………………………………………………………………… 源 愿 园 第 圆章摇强度调制型光纤传感器 …………………………………………………………… 缘 摇圆 援 员 摇摇强度调制传感原理 ………………………………………………………………… 缘 园 摇员 援 缘 摇摇光纤传感器的定义、 苑 分类及特点 ………………………………………………… 源
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（2）光纤的性能（几个重要参数） ①数值孔径（NA）
➢ 临界入射角θc的正弦函数定义为光纤的数值孔径.
NA
sin c
1 N0
N12
N
2 2
空气中： NA
N12
N
2 2
(N1 N2 )
第12章 光纤传感器
NA意义讨论：
NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多 大，只要在2θc张角之内的入射光才能被光纤接收、 传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏 光。
不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。
光波之间的干涉产生的强度分布也不同。➢ 模式值定义为：V 2 Nhomakorabea(NA) 0
式中：α为纤芯半径；
0为入射波长。
第12章 光纤传感器 ②光纤模式
第12章 光纤传感器
模式讨论： 模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传
播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用 多种模式会使光信号分不同时间到达多个信号， 导致合成信号畸变。 模式值V小，就是α值小，即纤芯直径小，只能 传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好， 畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、 连接困难。 除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度 多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最 常用的普通光纤。
第12章 光纤传感器
• 玻璃光纤 • 塑料光纤
（1）光纤的结构和传输原理
• 石英光纤
①光纤结构：
保护套
基本采用石英玻璃，
纤芯
有不同掺杂，主要
由三部分组成
✓ 中心——纤芯；
✓ 外层——包层；
包层
✓ 护套——尼龙料。
性质
✓ 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，
✓ 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2（N1＞N2）。
图3 拾光型光纤传感器工作原理示意图
第12章 光纤传感器
(4) 光纤传感器组成
光源：要求体积小、功率大、波长合适、工作稳定 ✓相干光：半导体激光器等 ✓非相干光：发光二极管、白织灯等
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）：灵敏度好、响应快、线 性好 ✓光电二极管、光电倍增管 ✓光敏电阻、光电池
输1Km后，光强下降到入射时的1/10。
第12章 光纤传感器
(3) 光纤传感器的基本测量原理
(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。
(精度
2%)
磁致伸缩效应
68碳莫合金
最小检测磁场强度8×10-5A/m2(1～10kHz)
法拉第效应 YIG
FR-5铅玻 璃
磁场强度0.08～160A/m (精度0.5%)
Pockels效应
亚硝基苯胺
-
电致伸缩效应
陶瓷振子 压电元件
-
Pockels效应 LiNbO3,LiTaO3Bi12SiO20
电压1～1000V电场强度0.1～ 1kV/cm (精度1%)
第12章 光纤传感器
（1）光纤的结构和传输原理 ②光纤的传光原理： 光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角 度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时，光线
全部反射。 只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射
向前传播，最后从另一端面射出。
光纤
(4) 光纤传感器分类
• 功能型光纤传感器（Function Fiber Optic Sensor)， 又称FF型光纤传感器） – 光纤不仅起传光作用，而且是敏感元件 – 更高的灵敏度 – 调整困难
• 非功能型光纤传感器（Non-Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传感器） – 光纤仅起传光作用 – 灵敏度、测量精度较低 – 有一种传感探针型光纤传感器
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。
第12章 光纤传感器
为保证全反射，必须满足全反射条件（即θ＜θc） 实现全反射的临界入射角为：
c
arcsin(
1 N0
N12
N
2 2
)
空气中 N0 1
c arcsin( N12 N22 )
❖ 可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性 质（N1、N2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。
第12章 光纤传感器
(1) 物性型光纤传感器原理
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）
一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更 容易。但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。
产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA，石英 光纤的数值孔径一般为：
NA 0.2 0.4
第12章 光纤传感器
（2）光纤的性能（几个重要参数） ②光纤模式（V）
➢ 光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，
被 测 物 测量 理 量 方式
电 流 FF 磁场
NF
电 压 FF 电场
NF
FF
FF 温度
NF
光的 调制
偏振
相位
偏振 偏振 相位
偏振 相位 光强 偏振 开口数 断路 断路
透射率 光强
光学现象
材料
特性性能
电流50～1200A
法拉第效应
石英系玻璃 铅系玻璃
(精度0.24%) 磁场强度0.8～4800A/m
第12章 光纤传感器
（2）光纤的性能（几个重要参数） ③传播损耗（A）
➢ 光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲 处的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗。
用衰减率A表示：
A 10 lg(I1 / I2 ) (dB / Km) l
I1、I2：两接收光纤的光强 在一根衰减率为10dB/Km的光纤中，表示当光纤传