什么是光纤传感器_光纤传感器分类
光纤传感器
光纤传感器
光纤传感器的特点: 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。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、 压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量
一.光纤传感器的基本知识
1. 光纤的结构
光纤是光导纤维的简称，形状一般为圆柱形，材料是高纯度的 石英玻璃为主，掺少量杂质锗、硼、磷等。光纤的结构如图所示。
光纤传感器
概述
光纤传感器(FOS： Fiber Optical Sensor)是20世纪70年 代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤 和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本 质区别。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。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。
电类传感器 电阻、电容、电感等 温-电敏、力-电敏、磁-电敏 电 电线、电缆
光 光纤传感器
源 光 缆
光量检测
分类内容 调制参量 敏感材料 传输信号 传输介质 光纤传感器 光的振幅、相位、频率、偏振态 温-光敏、力-光敏、磁-光敏 光 光纤、光缆
1.光纤传感器分类
1．功能型光纤传感器
它利用光纤作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感 器。功能性光纤传感器中光纤不仅起传光作用，而且还利用 光纤在外界因素的作用下，其光学特性(光强、相位、频率、 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。这类传感器主要使用单模光纤。
采用遮断型 光纤光电开关 对 IC 芯 片 引 脚进行检测
定位
条形码检测
2.光纤液体浓度传感器 光纤液体浓度U型敏感元件如图所示。 放入液体中的光纤部分为裸芯，此时液体 起到了包层的作用，液体的折射率n2就是包 层折射率 n。由于折射率的改变致使光在纤 芯中传播的光束模式发生变化，故有一部 分入射光就不再满足全反射的条件，就会 在两种媒质的交界面处发生光的折射现象， 致使一部分光能量损失掉。
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.
光纤传感器的分类和主要用途1
光纤传感器可以按传感原理分为两类，一类称为功能型传感器，它的光纤对被测信号兼有敏感和传输的作用，即它具有传与感台的特点。
另一类称为非功能型传感器，它的光纤仅起传输的作用，而对被测信号的感觉则是利用其他光学敏感元件来完成的。
光纤传感器还可以按光波在光纤中被调制的原理分为：光强调制型、相位调制型、偏振态凋制型和波长调制型等几种形式。
光纤传感器的应用正是由于光纤传感器拥有如此之多的优点，使得其应用领域非常广泛，涉及石油化工、电力、医学、土木工程等诸多领域。
1 光纤传感器在石油化工系统的应用在石油化工系统中，由于井下环境具有高温、高压、化学腐蚀以及电磁干扰强等特点，使得常规传感器难以在井下很好地发挥作用。
然而光纤本身不带电，体小质轻，易弯曲，抗电磁干扰、抗辐射性能好。
特别适合于易燃易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用，光纤传感器在油气勘探中的应用应用光纤传感器可以制成井下分光计，分布式温度传感器及光纤压力传感器等适用于这种特殊作业要求的产品。
光纤传感器对电磁干扰不敏感而且能承受极端条件，包括高温、高压以及强烈的冲击与振动，可以高精度地测量井筒和井场环境参数，同时，光纤传感器具有分布式测量能力．利用光纤传感器可以进行井下流量测量、温度测量、压力测量、含水(气)测量、密度测量、声波测量等。
光纤传感器在电力系统的应用电力系统网络结构复杂、分布面广，在高压电力线和电力通信网络上存在着各种各样的隐患，因此，对系统内各种线路、网络进行分布式监测显得尤为重要。
1 在高压电缆温度和应变测量中的应用目前，国外(主要是英国、日本等)已利用激光喇曼光谱效应研制出分布式光纤温度传感器产品。
而国内也在积极地开展这方面的研究工作。
2 在电功率传感器中的应用主要是光纤电功率传感器。
3 在电力系统光缆监测中的应用通过测量沿光纤长度方向的布里渊散射光的频移和强度，可得到光纤的温度和应变信息，且传感距离较远，所以有深远的工程研究价值。
光纤传感器的原理和分类
光纤传感器的原理和分类光纤传感器是一种利用光纤作为传感元件的传感器，其原理基于光的传输和传导特性。
由于光纤具有高强度、高精度、抗干扰性强等优点，因此在许多领域被广泛应用。
本文将介绍光纤传感器的原理以及常见的分类。
一、光纤传感器的原理光纤传感器是通过利用光的传输和传导特性来实现对物理量的测量或检测。
其原理基于光在光纤中传播的特性，通过引入测量介质或改变光纤本身的物理性质，来实现对所测量量的感应和转换。
光纤传感器的工作原理主要包括两个部分：光纤内部光的传输和光的检测与测量。
光纤中的光通过全反射现象在光纤内部传输，当外界环境或测量介质的物理性质发生变化时，会引起光的入射角度或传播路径的改变。
这样，光的特性变化就能被传感器感受到，并通过光的检测与测量来转换成电信号或数字信号进行处理。
二、光纤传感器的分类1. 根据测量原理分类- 干涉型光纤传感器：利用干涉原理测量物理量的变化，如干涉型位移传感器、干涉型应力传感器等。
- 散射型光纤传感器：利用光的散射现象测量介质的物理性质，如散射型温度传感器、散射型液位传感器等。
- 吸收型光纤传感器：利用介质对光的吸收特性测量物理量的变化，如吸收型浓度传感器、吸收型压力传感器等。
2. 根据传感原理分类- 光纤光栅传感器：利用光栅的周期性结构产生的光波反射、衍射或干涉现象进行测量，如光纤光栅位移传感器、光纤光栅应变传感器等。
- 光纤光栅传感器具有高精度、高分辨率和良好的抗干扰性能，在工业自动化、航空航天等领域得到广泛应用。
3. 根据测量的物理量分类- 光纤温度传感器：通过测量介质对光的吸收和散射特性来对温度进行测量。
- 光纤压力传感器：通过测量介质对光的压力和扭转特性来对压力进行测量。
- 光纤位移传感器：通过测量光纤长度的变化来对位移进行测量。
三、光纤传感器的应用领域光纤传感器由于其高灵敏度、高分辨率、抗干扰性强等特点，被广泛应用于各个领域。
以下是一些主要的应用领域：1. 工业自动化：光纤传感器在工业自动化中常用于测量温度、压力、液位等参数，可以实现对工业过程的监测与控制。
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。
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利用光信号进行检测和测量的传感器。
它利用光纤的特性，将光信号转化为电信号，通过电信号来实现对被监测对象的检测和测量。
光纤传感器具有很多优点，例如高灵敏度、宽测量范围、抗干扰性强等。
在实际应用中广泛用于工业控制、环境监测、医疗诊断等领域。
1.光源：光源是将电信号转化为光信号的部分，一般采用半导体激光器或发光二极管。
光源发出的光信号经过光纤传输到被测量的目标位置。
2.光纤：光纤是将光信号从光源传输到被测量的目标位置的媒介，一般采用光纤束或光纤缆。
光纤传输中的光信号会受到光纤本身的损耗和传播时延影响。
3.光纤接收器：光纤接收器是将光信号转化为电信号的部分，一般采用光电二极管或光电探测器。
光纤接收器接收到光信号后会将其转化为电信号，并经过信号处理之后得到最终的测量结果。
根据测量原理和应用领域的不同，光纤传感器可以分为多种不同的类型，包括：1.光纤光栅传感器：利用光纤中的光栅结构来实现对光信号的测量和检测。
根据光栅的不同形式，可以分为布拉格光栅传感器、光栅光纤传感器等。
2.光纤干涉传感器：利用光纤中的光干涉效应来实现对光信号的测量和检测。
根据干涉原理的不同，可以分为菲涅尔光纤传感器、迈可逊干涉光纤传感器等。
3.光纤拉曼传感器：利用光纤中的拉曼散射效应来实现对被测量物质的测量和分析。
光纤拉曼传感器可以用于分析物质的组分、浓度、温度等。
4.光纤陀螺仪：利用光纤中的圆坐标光相互作用效应来实现测量物体的旋转和角速度等。
光纤陀螺仪被广泛应用于航空航天、海洋导航等领域。
5.光纤压力传感器：利用光纤中光纤的变形来测量压力的传感器。
光纤压力传感器可以用于测量各种压力、加力、扭矩等。
6.光纤温度传感器：利用光纤中光栅或光干涉效应对温度进行测量和检测。
光纤温度传感器在工业自动化、火力发电等领域有着广泛的应用。
综上所述，光纤传感器结构原理与分类的了解对于实际应用中光纤传感器的选择和设计具有重要意义。
光纤传感器的分类及其应用原理
光纤传感器的分类及其应用原理
光纤传感器是利用光学法对物理量进行测量的一种传感器。
其分类主要有以下几种：
1. 基于干涉原理的光纤传感器：通过利用光的干涉效应来测量物理量，包括干涉型位移传感器、Fabry-Perot干涉型传感器、Mach-Zehnder光学干涉型传感器等。
2. 基于散射原理的光纤传感器：通过利用光在材料中散射的现象来测量物理量，包括拉曼散射光纤传感器、布里渊散射光纤传感器等。
3. 基于吸收原理的光纤传感器：通过利用物质对光的吸收现象来测量物理量，包括光纤气体传感器、光纤液位传感器等。
光纤传感器应用原理主要包括光学原理和材料物理学原理两个方面。
其中，光学原理对于基于干涉原理和散射原理的光纤传感器起到重要作用，其基本思路是利用不同的物理量导致光在光纤中发生不同的相位变化，通过测量光的相位变化来获得物理量的信息。
而材料物理学原理则对基于吸收原理的光纤传感器起到决定性作用，其基本思路是通过材料对光的吸收性能来间接测量物理量的信息。
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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。