光纤传感器 (2)
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光纤传感器光纤传感器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。
光纤传感器的特点和工作原理
光纤传感器的特点和工作原理1.高灵敏度：光纤传感器能够接收到非常微弱的光信号，并将其转化为电信号进行数据处理。
这种高灵敏度使得光纤传感器可用于检测微小的变化和测量精细的物理量。
2.抗干扰性强：光纤传感器的光信号传输过程中不受电磁干扰的影响，使其具有较高的抗干扰性能。
与其他传感器相比，光纤传感器更适用于恶劣环境或强电磁干扰的场景。
3.长距离传输：光纤传感器光信号可以在长距离内传输而不损失信号质量，通常达到数公里甚至数十公里以上。
这使得光纤传感器适用于需要远距离传输的应用，如油井测量和风力发电等。
4.多通道传感：光纤传感器可以通过利用光纤束分光器将光信号分离为多个通道，从而可以同时监测多种物理量。
这种多通道传感方式使得光纤传感器在复杂环境下能够实现多参数的测量。
5.可编程性强：光纤传感器的灵活性较高，可以通过编程实现不同物理量的测量和检测。
这种可编程性使得光纤传感器可以应用于不同领域的需求，如工业自动化、医疗检测和环境监测等。
1.光源发出光信号：光源通常是一种辐射能量较高的光发射器，如激光器、发光二极管等。
光信号从光源中发出，并进入光纤。
2.光信号在光纤中传播：光信号经过光纤中的全反射现象进行传输。
光纤外部环境的变化会引起光信号的相位、强度和频率等发生变化。
3.光信号与环境变化相互作用：当光信号遇到光纤的外表面或内部材料时，会发生干涉、散射、吸收等与环境变化相关的效应。
这些效应会改变光信号的特性，进而实现对环境变量的测量。
4.光检测器检测光信号：光检测器通常是一种能够将光信号转化为电信号的器件，如光电二极管、光敏电阻等。
光检测器接收光信号并将其转化为电信号，供后续的信号处理和数据分析。
5.信号处理和数据分析：光纤传感器中的电信号经过信号处理和数据分析，得到我们所需的物理量或信息。
这些处理方法可以根据具体的应用需求进行选择和优化，以实现精确的测量和监测。
总之，光纤传感器具有高灵敏度、抗干扰性强、长距离传输、多通道传感和可编程性强等特点。
第七章第二节光纤传感器.
3．偏振调制 根据电磁场理论，光波是一种横波；光振动的电场矢量 E 和 磁场矢量 H 始终与传播方向垂直。如果光波的电场矢量 E 和磁 场矢量 H 方向（与 E 垂直）在传播过程中保持不变，这种光称 为线偏振光。线偏振光电场矢量（E）方向与传播方向组成的面 称为线偏振光的振动面。包含波的射线并与振动面方向垂直的面 称为偏振面。光在传播中， E、H的大小不变，而振动方向绕传 播轴均匀地转动，矢量端点轨迹为圆，这种光称为圆偏振光；如 果矢量轨迹为一个椭圆，这种光称为椭圆偏振光。如果自然光在 传播过程中，受到外界的作用而使各个振动方向上强度不等，使 某一方向的振动比其他方向占优势，这种光称为部分偏振光。如 果外界作用使自然光的振动方向只有一个，这种现象称为起偏 （形成完全偏振光）。利用光波的这些偏振性质，可以制成光纤 的偏振调制传感器。光纤传感器中的偏振调制器常用电光、磁光、 光弹等物理效应进行调制。（注意，关于光的振动方向通常是指 电场矢量 E的方向）
式中称为光纤的数值孔径，用NA表示。它表示当入射光从折射率为n0的 外部介质进入光纤时，只有入 射角小于θc的光才能在光纤中 传播。否则，光线会从包层中 逸出而产生漏光。NA是光纤的 一个重要参数，NA值越大，光 源到光纤的耦合效率越高。
二、光纤分类
根据光纤的折射率、光纤材料、传输模式、光纤用途和制造工艺，有如下 几种分类方法： 1．阶跃型和梯度型光纤 根据光纤的折射率分布函数，普通光纤可分为阶跃型和梯区型两类。 阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的，即纤芯内的折射率分布大 体上是均匀的，包层内的折射率分布也大体均匀，均可视为常数，但是纤芯和 包层的折射率不同，在界面上发生突变，如下图 (a)所示。光线的传播，依靠光 在纤芯和包层界面上发生的内全反射现象。 梯度光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴线开始沿径向大致按抛 物线形状递减，中心轴折射率最大。因此，光纤在纤芯中传播时会自动地从折 射率小的界面向中心会聚，光纤 传播的轨迹类似正弦波形。梯度 光纤又称为自聚焦光纤。
光纤传感器基本原理
光纤传感器基本原理光纤传感器是一种利用光纤作为传感元件的传感器，它通过光纤中的光信号的强度、频率或相位的变化来感知和测量环境参数的传感器装置。
光纤传感器具有高可靠性、抗干扰能力强、响应速度快等优点，广泛应用于测量、通信、工业自动化等领域。
首先是光源部分：光源可以是激光器、LED等产生光信号的装置。
光源通过光纤传输光信号到目标位置，其中包括了传感器测量的环境参数。
然后是光纤部分：光纤是光信号传输的介质，通常由一根或多根光纤组成。
光纤可以是单模光纤或多模光纤，其核心材料通常是高纯度玻璃或塑料。
光信号通过光纤的内部反射来传输，通过改变光纤的长度、形状或者在光纤表面附加外界物质等方式，可以实现对环境参数的测量。
最后是光电检测器部分：光电检测器用于接收光信号并将其转化为电信号。
光电检测器可以是光电二极管、光电转换器等。
当光信号到达光电检测器时，光信号激发光电检测器产生电流变化，进而将光信号转化为电信号。
通过测量电信号的特征，如电流的强度、频率或相位的变化，可以获得环境参数的信息。
光纤传感器的工作原理有很多种，最常见的是基于光强度的测量。
当环境参数发生变化时（如温度、湿度、压力等），这些变化会导致光信号的强度发生变化。
光纤传感器通过测量光信号的强度变化来确定环境参数的变化情况。
另外一种常见的光纤传感器工作原理是基于光频率的测量。
当环境参数变化时，这些变化会引起光信号的频率移动。
通过测量光信号频率的变化，可以确定环境参数的变化情况。
还有一种光纤传感器工作原理是基于光相位的测量。
当环境参数变化时，这些变化会导致光信号的相位变化。
通过测量光信号相位的变化，可以确定环境参数的变化情况。
总之，光纤传感器利用光的传导性能来实现环境参数的测量和检测。
通过光源产生光信号，光信号经过光纤传输并最终转化为电信号。
根据光信号的强度、频率或相位的变化，可以获得环境参数的变化情况。
光纤传感器具有高可靠性、抗干扰能力强、响应速度快等优点，在各个领域得到广泛应用。
实验二 光纤传感器实验
一．光纤位移传感器的静态实验实验目的：了解光纤位移传感器的原理结构和性能实验原理：反射式光纤位移传感器的工作原理如图1所示。
光纤采用Y 型结构，两根光纤的一端合并在一起作为光纤探头，另一端一根作为光源光纤，一根作为接收光纤。
光纤只起传输信号的作用。
光发射器发出的红外光经光源光纤照射至反射面，被反射的光经接收光纤送至光电转换器将接收到的光信号转化为电信号。
接收光纤接收到的光强取决于反射体和光纤探头之间的距离，其定性关系如图2所示。
图1. 光纤位移传感器的原理图图2. 输出电压V 和X 的定性关系所需元器件：主副电源、差动放大器、F/V 表、光纤传感器、振动台 实验步骤：（1） 按图3的方式接线：因光电传感器的内部转换电路已经安装好了，所以可将电信号直接经差动放大器后输出。
F/V 表置2V 档、开启主副电源，差动放大器的增益调到最大。
输出电压X光源光纤反射面图3 光纤传感器实验的接线图（2）调节测微头，使光纤探头与反射片刚好接触，调节差动放大器的零位旋钮使得F/V表的读数尽量为零。
（3）旋转测微头，使得光纤探头逐渐远离反射面，观察输出电压的小—大—小的变化过程。
（4）重复步骤2。
旋转测微头，每隔0.2mm读出一个电压值，并填入下表。
（5）作出V—X曲线，计算灵敏度S=△V/△X及线性范围。
二光纤传感器测量电机转速的实验实验目的：了解光纤位移传感器的测速应用。
实验原理：在电机上贴有两片对称的反光片用于反射光源光纤的出射光。
当光纤探头对准反光片时，接收光纤可以接收到光源光纤的反射光，输出电路有电压输出；当光纤探头和黑色表面相对时，接收光纤中无反射光，输出信号近似为零。
当电机转动时，光纤探头的对准面将发生黑—白—黑—白的周期变化，于是光纤传感器的输出电压也将按照小—大—小—大的形式发生变化，即输出电压为脉冲信号。
根据电压脉冲的频率即可推算出电机的转速。
所需单元和部件：除（一）中所用的器件外，增加小电机和示波器。
光纤温度传感器 (2)知识讲解
4.3半导体吸收型光纤温度传感器
半导体吸收型光纤温度传感器是利用半导体材料的吸收
光谱随温度变化而变化的特性实现的。 光通过半导体材料时，
材料会吸收一部分光子能量， 当光子能量超过半导体禁带宽
度能量Eg( T ) 时， 传输光的波长发生变化， 由于禁带宽度随
温度的变化而变化， 因此半导体材料吸收的波长会随温度而
光探头是由半导体材料GaAs 制作， 其厚度 约100 M，两边抛光， 镀增透膜， 探头与光纤芯 的连接如图所示。
传感头结构图 此传感器其温度测量范围在- 10~120 ℃ ， 精确度可达1 ℃ ， 响应时间22 s， 特别适合超长距离和恶劣环境下的应用。
基于半导体GaAs 对近红外光的吸收波峰值随温度 升高向长波长移动从而引起透射率随温度变化而变化这 一特性设计了一种单光路的半导体吸收式光纤温度传感 器。测温系统原理图如图所示：
和传输型两种。 功能型光纤温度传感器是利用光纤的各种特性( 相位、偏
振、强度等) 随温度变换的特点， 进行温度测定。 这类传感器尽管具有
传!、 感!合一的特点， 但也增加了增敏和去敏的困难。 传输型光纤温度
传感器的光纤只是起到光信号传输的作用， 以避开测温区域复杂的环境。
对待测对象的调制功能是靠其他物理性质的敏感元件来实现的。 这类传
光纤传感器的优点1灵敏度高2几何形状具有多方面适应性可以制成任意形状的光纤传感器3可以制造传感各种不同物理信息如声磁温度旋度等的器件4可以用于高压电气噪声高温腐蚀或其他恶劣环境5而且具有与光纤遥测技术的内在相容性6测量速度快光的传播速度最快且能传送二维信息因此可用于高速测量
4.1光纤温度传感器的原理
敏感测头结构
采用经研磨并抛光厚度达200 m， 面积约2mm ? 2 mm 的GaAs 片， 将其垂直置于直径为2。 49mm 的陶瓷套管中 。 将GaAs 片粘在一边的陶瓷插芯端面， 将光纤对准并固定。 实验证明: 该单光路光纤温度传感器的测量精度可达到% 1 ℃ ， 响应时间在20 s 之内， 有良好的长期稳定性、重复性; 在 20~ 70℃ 具有良好的线性， 在这个范围内对某些环境下( 如 石油工业、电力工业) 可得到广泛应用。 根据传感头内的各部 分材料特性， 以及光纤的热稳定性， 这种传感器可在- l0~ 300 ℃内正常工作。 上面2 种传感器后者比前者在响应时间及适用温度范围方面均
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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摘要近年来，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。
我对光纤传感器较为感兴趣，所以就以光纤传感器做我论文的主题。
通过介绍光纤传感器的构造及工作原理，光纤传感器的许多优越的特点，灵敏度高、可以任意改变形状、可用于恶劣的环境中等等，说明光纤传感器是使用是非常广泛的，其应用领域是在我们的周围环境中，其重要性日益增强。
最后，光纤技术会越来越得到应用，它会给我们人类带来极大的方便与利益。
关键词光纤传感器、灵敏度、改变形状、可用于恶劣环境
引言光纤传感器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。
它与我们息息相关，我们需要它，它需要我们来对它进行改造，创新。
一工作原理
光纤传感器就是利用光导纤维的传光特性，把被测量转换为光特性(强度、相位、偏振态、频率、波长)改变的传感器。
它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、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。
二优点
1 灵敏度较高；
2 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；
3 可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；
4 可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；
5 而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。
三分类
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；根据光纤在传感器中的作用可以分为：一类是功能型传感器，又称为传感型传感器；另一类是非功能型，又称为传光型传感器。
四应用
1 基于微弯效应测压力
微弯效应：光纤在微弯时引起纤芯中传输的光部分投入包层（全反射条件受到一定破坏），造成传输损耗，微弯程度不同，泄漏光波的强度也不同，从而达到光强度调制的目的。
光纤压力传感器主要有强度调制型、相位调制型和偏振调制型三种。
强度调制型光纤传感器是一种可用于测量位移、温度、压力、气体浓度等多种物理量的高精度传感器。
大多基于弹性元件受压发生机
械形变，将压力信号转换为位移信号来进行检测。
为改善传感器的性能，微弱光强信号的检测需要载波调制和双光路补偿。
传统的这类传感器通常采用模拟电路实现，存在着元件漂移误差、调校困难、不易组网、尺寸较大等固有的弊端。
相位调制型光纤传感器是利用光纤本身作为敏感元件，通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。
光纤中光的相位由光纤波导的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定，应力、应变、温度等外界物理量能直接改变上述三个波导参数，产生相位变化，实现光纤的相位调制。
简单地说，将被测量转为光的波长或光程差的变化，从而使相位发生变化的方法称为相位调制。
2 光纤位移传感器
反射式光强调制测量位移由光纤输出的光照射到反射面上发生反射，其中一部分反射光返回光纤，测出反射光的光强，就能确定反射面位移情况。
这种传感器可使用两根光纤，分别作传输发射光及接收光用；也可以用一根光纤同时承担两种功能。
为增加光通量可采用光纤束，此方法测量范围在9 mm以内，其光强调制的示意如下图所示。
图（1）光纤位移传感器测量位移
图（2）光纤位移传感器测量曲线
3 光纤液位传感器
原理：基于全内反射理论
当测头没有接触液面（处于空气中）时，光线在探头内发生全内反射，而返回到光电二极管；当测头接触液面，由于液体与空气折射
率不相同，所以全内反射被破坏，将有部分光线投入液体，使返回光
电二极管的光强变弱。
返回光强是液体折射率的函数。
返回光强发生突变时，测头已接触到液位。
光电接收器的要求不高。
由于同种溶液在不同浓度时的折射率不同，经标定，这种液位传感器也可作浓度计。
光纤液位计可用于易燃、易爆场合，但不能探测污浊液体及会粘附在测头表面的粘稠物质。
4 光纤的其它应用
（1）光纤电流传感器
（2）光纤式光电开关应用
（3）军用光纤陀螺
（4）光纤内窥镜
五光纤传感器发展前景
光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术，当今世界对光纤传感技术的应用研究已取得丰硕成果.光纤传感器与传统的机电类传感器相比具有很多优势，如本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等.因此其应用范围非常广泛，并且特别适于恶劣环境中的应用.光纤光栅传感器被认为是实现“光纤灵巧结构”的理想器件。
光纤传感技术使用的范围很广泛，无论是民用济或国防事业,都能用得上，尤其是能在恶劣的环境中使用。
现今，光纤传感器呈产品化发展，形成了五大应用领域：
1.医学与生物；
2.电力工业；
3.化学与环境；
4.军事领域；
5.智能结构。
六参考文献
1、徐科军主编，《传感器与检测技术》（第二版）
2、赵勇主编，《光纤传感原理与应用技术》
3、陈裕泉主编，《现代传感器原理及应用》
4、徐宇生主编，《光纤传感器技术手册》
5、江毅主编，《高级光纤传感技术》。