相位调制型光纤传感器应用实例
光纤传感器实验
实验5—5 光纤传感器实验人类进人21世纪，信息传递的方式也在悄然改变。
从两根电线传输一路电话到一根光纤传输几十、几百路电话，从海底电缆到欧亚光缆，光纤传递光信息的优点是显而易见的。
光在光纤中不断地被全反射传输，免受大气的干扰、散射，衰减大大减少，从而实现上百公里的远距离传输而不需要中间放大器。
光纤在信息传输中的应用已为人们所熟知，但将光纤用作传感器却了解不多，该实验将介绍反射式光纤位移传感器，增强对光纤传感器的了解。
光纤传感器是一种新型传感器，随着其技术的日益发展，应用越来越广泛。
光纤传感器的机理是外界物理量的变化导致光纤参数的相应改变，例如应力或温度变化时，会引起光纤长度和折射率的变化，从而形成光纤应变或温度传感器。
光纤传感器具有许多优点：重量轻、灵敏度较高；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；耐高温、耐化学腐蚀、耐水性好，还能高速率和大容量传输测得的信息，便于测试自动化和远距离传输；光纤传感器可以用于高压、电气、噪音、高温、腐蚀或其他的恶劣环境，并可实现非破坏和非接触测量，而且具有与光纤遥感技术的内在相容性。
目前，正在研制中的光纤传感器有磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和压变等类型的光纤传感器。
【实验目的】1.了解光纤、光纤传感器的基本概念。
2.了解反射式光纤位移传感器的基本原理。
3.测量并绘出输出电压与位移特性曲线。
4.了解利用反射式光纤位移传感器测量转盘转速和振动频率的工作原理。
【实验原理】Array1.光纤的基本知识1)光纤的基本结构光纤（Optic Fiber）是光导纤维的简称，一般由纤芯、包层、涂敷层与护套构成，是一种多层介质结构的对称性柱体光学纤维。
光纤的一般结构如图5-5-1所示。
纤芯和包层为光纤结构的主体，对光波的传播起着决定性作用，其中纤芯是光密媒质，包层是光疏媒质。
涂敷层与护套则主要用于隔离杂散光，提高光纤强度，保护光纤。
光纤传感实验报告（最终5篇）
光纤传感实验报告（最终5篇）第一篇：光纤传感实验报告光纤传感实验报告１、基础理论 1 1、1 1 光纤光栅温度传感器原理1、１、1 光纤光栅温度传感原理光纤光栅得反射或者透射峰得波长与光栅得折射率调制周期以及纤芯折射率有关,而外界温度得变化会影响光纤光栅得折射率调制周期与纤芯折射率，从而引起光纤光栅得反射或透射峰波长得变化,这就是光纤光栅温度传感器得基本工作原理.光纤 Bragg 光栅传感就是通过对在光纤内部写入得光栅反射或透射 Br ａｇg 波长光谱得检测，实现被测结构得应变与温度得绝对测量。
由耦合模理论可知，光纤光栅得 Bragｇ中心波长为式中Λ为光栅得周期;nｅff 为纤芯得有效折射率。
外界温度对 Bｒａgg 波长得影响就是由热膨胀效应与热光效应引起得。
由公式(1）可知,Bｒagg 波长就是随与而改变得。
当光栅所处得外界环境发生变化时,可能导致光纤光栅本身得温度发生变化。
由于光纤材料得热光效应，光栅得折射率会发生变化;由于热胀冷缩效应，光栅得周期也会发生变化，从而引起与得变化，最终导致 Brａｇg 光栅波长得漂移。
只考虑温度对 Bragｇ波长得影响，在忽略波导效应得条件下,光纤光栅得温度灵敏度为式中Ｆ为折射率温度系数;α 为光纤得线性热膨胀系数；p１1 与p12 为光弹常数。
由式（2)可知光纤光栅受到应变作用或当周围温度改变时，会使 n eｆf 与发生变化,从而引起Ｂｒａgg 波长得移动。
通过测量Ｂrａｇg 波长得移动量,即可实现对外部温度或应变量得测量。
1、1、2 光纤光栅温度传感器得封装为满足实际应用得要求,在设计光纤光栅温度传感器得封装方法时，要考虑以下因素:(1)封装后得传感器要具备良好得重复性与线性度;(2）必须给光纤光栅提供足够得保护,确保封装结构要有足够得强度;(3）封装结构必须具备良好得稳定性,以满足长期使用得要求。
为了能够有效起到增敏作用一般采用合金、钢、铜、铝等热膨胀系数大得材料对光纤光栅进行封装。
第3章 相位调制型光纤传感器
相位调制型
5.3 特点
信 号 Is t 出 射 光 波
入 射 光 波
相位调制区
参考信道
特点：
干涉测量灵敏度高 直接测量物理量：应力（压力10-7Pa）、应变（10-7）、
温度（10-8℃） 、电磁场 多参量同时测量、灵活 需要特殊光纤－单模、保偏、增敏、去敏
相位调制型
相位调制型
2
当A1=A2时，K=1； 而A1与A2相差 越多，K值越小
相位调制型
*相干条件（产生干涉的条件）
在观察时间内，许多波列都通过P点 原子前后发出的两列光波相互独立
没
有固定的位相关系a 2a a cos )d I Id (a 两个发光原子同时发出的波列形成的干涉 a a 2a a / cos d 图样只能在极短的时间内存在 如果各时刻到达的波列的位相差δ无规则变化，则 接收器只能记录到强度的平均值 1 2 2 cos d 0 I a a I I
原理：2个干涉仪构成
FPPI LED
耦合器 LD AB 耦合器 信号处理
PD
C A’ B’ Michelson干涉仪
相位调制型
5.3.2 光纤干涉仪6－白光干涉
白光干涉的优点与问题
优点：
绝对测量 抗干扰能力强－系统分辨率与光源稳定性、光纤扰动 等无关
问题：低相干度光源的获得、零级干涉条纹的检
相位调制型
光纤传感器
Fiber Optic Sensors
Lecture 3
相位调制型
光纤传感器的分类
入射光波 出射光波
入射光波的特征参量：相位
功能型
光纤传感技术课件：偏振态调制型光纤传感器
偏振态调制型光纤传感器
这样， 为了获得大的法拉第效应， 可以将放在磁场中的 法拉第材料做成平行六面体， 使通光面对光线方向稍偏离垂 直位置， 并将两面镀高反射膜， 只留入射和出射窗口。 若光 束在其间反射N次后出射， 那么有效旋光厚度为Nl， 偏振面的 旋转角度就提高N倍。 法拉第效应是偏振调制器的基础， 利 用法拉第效应可制作光纤电流传感器。
偏振态调制型光纤传感器
偏振态调制型光纤传感器
6.1 偏振态调制型传感原理 6.2 偏振态调制光纤传感器应用实例
1
偏振态调制型光纤传感器
6.1
偏振态调制型光纤传感器是有较高灵敏度的检测装置。 它比高灵敏度的相位调制光纤传感器的结构简单且调整方便。 偏振态调制型光纤传感器通常基于电光、 磁光和弹光效应， 通过敏感外界电磁场对光纤中传输的光波的偏振态的调制来检 测被测电磁场参量。 最为典型的偏振态调制效应有Pockels效 应、 Kerr效应、 Faraday效应， 以及弹光效应（原理介绍详见 第一章1.3.4节）。
此时， 检偏镜的透射光强度 I 与起偏镜的入射光强度I0 之间的关系可由下式表示：
(6.1-11)
16
式中， 半波电压Uλ/2可表示为
偏振态调制型光纤传感器
(6.1-12)
利用克尔效应可以构成电场、 电压传感器， 其结构类 似于图6-1。
17
偏振态调制型光纤传感器
6.1.4 Faraday
物质在磁场的作用下使通过的平面偏振光的偏振方向发 生旋转， 这种现象称为磁致旋光效应或法拉第(Faraday)效应。
9
偏振态调制型光纤传感器
10
偏振态调制型光纤传感器
6.1.3 Kerr
Kerr效应也称为二次（或平方）电光效应， 它发生在一
学习情境四：相位调制型光纤传感器及其应用.doc.ppt
传感器再经过光纤延迟线，然后进入耦合器，形成
逆时针方向光束。两束光在Sagnac光纤环内传输一
圈再经过耦合器进入
光电探测器。光电探测器探测到的这两束光干涉后
的光强为
I
1 2
I0 1
cos(1
2 )
(4-8)
光电子技术专业-国家重点建设示范性专业
光纤传感器及应用
式中：
I0----激光器发出的光注入到第一个耦合器的光强
器中，用单模光纤制成Fabry-Perot腔，即在光纤抛 光端面镀以高反射率的反射膜，如果镀一层反射膜 就构成双光束的Fabry-Perot腔。为了提高精度一般 镀以多层介质反射膜，构成多光束干涉腔，形成多 光束干涉，如图4-6所示。
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光纤传感器及应用
i: 0 2 Iin Iout 纤芯
∆Φ 1----顺时针方向光束和逆时针方向光束在Sagnac 光纤环内传输一圈产生的静态相位差
∆Φ 2----声信号作用的区域内，顺时针方向光束和逆 时针方向光束产生的相位差
通过相位调制和偏振控制可以使静态相位差∆Φ 1＝ /2，这样传感器的灵敏度最大，则(4-8)变为
I
1 2
I 0 1 sin(2 )
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光纤传感器及应用
二、学习内容 4.1相位调制型光纤传感器的原理
相位调制光纤传感器（通常也叫干涉型光纤传感 器）的基本原理是：被测量的物理量使得光纤内传 输光的相位φ =k0nL发生变化，再用干涉测量技术把 相位变化转换成光强度变化，光电探测器把光强变 化转换成电压或电流变化，进而实现检测被测物理 量的目的。相位调制光纤传感器主要是干涉式光纤 传感器，其特点为：
光纤传感器的应用举例
水管 重物
d
h
l
3 光纤流量、流速传感器
当每个漩涡产生并泻下时，它会在光纤上产生一 种侧向力，这样就有一个周期力作用在光纤上，使其 振动。野外的电线等在风吹动下会嗡嗡作响，就是这 种现象。实验证明，光纤振动的频率由下式得出
f s / d (8.23)
式中，为流速；d为光纤直径；s为斯特罗哈数(无量
1
反2 射 AA 3
CC
光 MM
4
强 BB
DD
段，偏置工作点在M，被 测物体的反射面与光纤端 面之间的初始距离是M点
所对应的距离XM。由曲线
可知，随位移增加光强增
X MM
位移
加，反之则光强减少，故
1—随机分布；2—对半分布；
3—同轴分布；4—同轴分布 由此可确定位移方向。
2 光纤位移传感器
光纤位移传感器一般用来测量小位移。最 小 能 检 测 零 点 几 mm 的 位 移 量 。 这 种 传 感 器 已 在镀层不平度、零件椭圆度、锥度、偏斜度等 测量中得到应用，它还可用来测量微弱振动， 而且是非接触测量。
ff1
fDf f1+Df
3 光纤流量、流速传感器
典型的光纤血流传感器可在0～1000 cm/s速度 范围内使用，空间分辨率为100 mm，时间分辨率为 8 ms。光纤血流传感器的缺点是光纤插入血管中会 干扰血液流动，另外背向散射光非常微弱，在设计 信号检测电路时必须考虑。
4 光纤磁传感器
按工作原理可分为：①根据法拉第磁光效应直 接实现磁光转换，②根据磁致伸缩效应，利用力或 其他物理量间接实现磁光转换。 1.利用法拉第磁光效应的光纤传感器
4 光纤磁传感器
设无磁场时出射光的偏振轴与棱镜的偏振轴夹 角为45 ，这样D1和D2光电管接收的光强为
相位调制型光纤传感器课件
04
相位调制型光纤传感器的优点 与局限性
优点
抗电磁干扰
高灵敏度
相位调制型光纤传感器利用光的干涉原理 ，不受电磁干扰的影响，适合在强磁场、 高电压等恶劣环境下工作。
由于相位调制型光纤传感器利用光的干涉 效应，其灵敏度较高，能够检测微小的变 化。
结构简单
传输距离远
相位调制型光纤传感器结构简单，易于集 成和实现小型化。
相位调制型光纤传感器课件
目录
• 相位调制型光纤传感器概述 • 相位调制型光纤传感器的基本原理 • 相位调制型光纤传感器的调制方式 • 相位调制型光纤传感器的优点与局限性 • 相位调制型光纤传感器的应用实例 • 相位调制型光纤传感器的发展趋势与展望
01
相位调制型光纤传感器概述
定义与工作原理
定义
相位调制型光纤传感器是一种利用光纤干涉原理，通过相位 变化检测外界物理量（如温度、压力、振动等）的传感器。
优点
高灵敏度、抗干扰能力强、可在恶劣环境下工作。
03
挑战
对温度、振动等其他环境因素较为敏感，需要进行误差补偿和校准。
温度传感
温度传感
相位调制型光纤传感器能够通过 测量光纤中光的相位变化，实现 对温度的精确测量。这种传感器 在电力、能源、环保等领域有广
泛应用。
优点
高精度、响应速度快、稳定性好 。
挑战
容易受到其他环境因素的影响， 如压力、湿度等，需要进行误差
校正。
折射率传感
折射率传感
相位调制型光纤传感器能够通过测量折射率变化对光纤相 位的影响，实现对折射率的精确测量。这种传感器在生物 医学、化学分析等领域有广泛应用。
优点
高灵敏度、分辨率高、响应速度快。
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 。
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光纤水听器 是一种建立在光纤、光电子技术
基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的 光学相干检测，将水声振动转换成光信号，通过 光纤传至信号处理系统提取声信号信息。
特点：灵敏度高，频响特性好。
由于采用光纤作信息载体，适宜远距离大范 围监测。
光纤水听器的结构
光纤迈克尔逊干涉仪
LD
耦合器
探测臂
可移动
光纤反射端面
PD 信号处理
参考臂
固定
原理：激光器发出的光经过耦合器分为两束，分别经过 参考臂和测量臂，两束光在两臂的端面处分别发生反射 而返回耦合器，分光后，一部分反射光进入光探测器， 另一部分光被反射进入激光器。当被测物体发生形变时， 带动粘附于被测物体上的光纤应变，使得干涉条纹移动， 从而测得该应变。
当有引力波穿过时，三角区（LISA）会收缩几百个纳米.
LISA探测器
当它们在太空中运动的时，每一个探测器都会检测与另外 两探测器之间相对位置的变化，这里不是测量绝对距离，其目 的就是探测大质量天体相互绕转时所引发的时空周期性膨胀和 收缩。每个探测器的光学系统会制造出每秒切换1百万条暗条纹 的高速变化干涉图样。时空波动或多或少的交替加强减弱这些 干涉图样。
应用
• • • • • 测量微位移 测量折射率 测量微应变、应力 测量磁场的强弱 测量压力
测量时空的变化 —引力波探测仪
引力波：
引力波就像是时空的涟漪，如果将时空想象 成水面，那么天体碰撞事件就如同一块石头落入 水中所引发的水波，只不过引力波的传播速度可 以达到光速。
基本原理：
就是通过迈克耳孙干涉仪来测量由引力波引起的 光程变化.
应用领域
光纤水听器主要用于海洋声学环境中的 声传播、噪声、混响、海底声学特性、目 标声学特性等的探测。
（1）海洋资源勘探 ——探索海洋资源，得到分布信息 （2）海底地质勘察 ——采集地震信号，推测海底地质 （3）海洋国土安全 ——反恐、反潜，水下安防