光纤传感器结构原理及分类[图]
光纤传感器结构原理及分类[图]
1、光纤传感器结构原理
以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感
元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。光纤传感器则是一种
把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光
接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图(b)。
由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已
调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测
量。
可见，光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传
感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。
光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学
作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即
A——电场E的振幅矢量；ω——光波的振动频率；
φ——光相位；t——光的传播时间。
可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变
化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制
等进行解调，获得所需要的被测量的信息。
2、光纤传感器的分类
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
（1）根据光纤在传感器中的作用
光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类。
1）功能型（全光纤型）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)作传感元件，将“传
”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外
界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、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。
2）非功能型（或称传光型）光纤传感器
光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉
”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤
及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场
合。
3）拾光型光纤传感器
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。
（2）根据光受被测对象的调制形式
形式：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。
1）强度调制型光纤传感器
是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强
度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液
晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质
的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传
感器。
优点：结构简单、容易实现，成本低。
缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。
2）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。有利用光在磁场中媒质内传播的法
拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电
场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折
射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏
度高。
3）频率调制光纤传感器
是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有利
用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；
利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及
利用光致发光的温度传感器等。
4）相位调制传感器
其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，
而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化
量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振
动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及
利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏
度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。
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.
光纤传感技术
光纤传感技术 2
张学典 Email:zhangxuedian@ 上海理工大学光电学院
上节课内容
1. 概述 2. 光纤光学基本原理— 光的全反射 3. 光纤的结构——纤芯、包层、涂敷层、护套 4. 光纤重要参数—— 5. 光纤的损耗——吸收、散射、辐射
本节内容
1. 光纤传感器基本原理 2. 光纤传感器分类 3. 主要应用领域 4. 关键技术 5. 小结
光纤的分类
按用途类型分类 ﹡通信用光纤； ﹡非通信用光纤； ﹡特种光纤。 按折射率变化类型分类 按纤芯到包层折射率变化可分为阶跃折射率光纤 （a）和渐变折射率光纤（b）。
按传播模式种类分类 多模光纤
（光纤中允许两个或更多的模式 传播） （常用标识： 50/125、62.5/125） （通信用标准多模光纤芯径为50 µm，包层直径为125 µm，涂层 直径245 µm 。国际电报电话咨 询委员会推荐多模光纤的芯-包半 径比为0.4）
发射光纤与接收光纤的四种分布
光缆的种类很 多，以上是两 种光缆的断面 结构示意图
水下光缆的敷设
地下光缆的
架空光缆的施工
一个典型位移－输出曲线如图所示。在位移-输出曲 线的前坡区，输出信号的强度增加得非常快,这一区域 可以用来进行微米级的位移测量。在后坡区，信号的 减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比，可 用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测 量。
单模光纤
(只允许一个模式传播的光纤) （常用标识：9/125） （通信用标准单模光纤芯径为9 µm，包层直径为125 µm，涂层 直径245 µm 。）
常用光纤的尺寸
· · · · · · · · 50/125 graded index MM fiber (NA=0.20) 62.5/125 graded index MM fiber (NA=0.275) 100/140 graded index MM fiber (NA=0.29) 200/230 step index MM fiber (NA=0.37) 200/280 step index MM fiber (NA=0.24) SMF-28 SM fiber (9-10µm core) Payout SM fiber (6-7µm core) 1300/1550nm PANDA PM fiber
光纤传感器 ppt
2、光纤传感器技术的特点
光纤传感器较传统的传感器相比有许多特点： 灵敏度高 结构简单 体积小 耗电量少 耐腐蚀 绝缘性好 光路可弯曲 便于实现远调（远距离调控）。 光纤传感器技术是一门多学科性科学，涉及知识面广泛， 如纤维光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术和 微型计算机应用等。
3、光纤传感器的组成与分类 （1）功能型光纤传感器 （2）传光型光纤传感器
光纤电流 传感器
光纤生物 传感器
温度光纤传感器 敏感头
（1）功能型光纤传感器
利用光纤本身的某种敏感特性或功能制作的传感 器，称为功能型传感器。
一根光纤伸 长，一根光 纤缩短
光程差变化
光纤应变传感器
（
2）传光型光纤传感器
光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其他 敏感元件才能构成传感器，称为传光型传感器。
例：将敏感元件置于入射与接收光纤中间，在被
测对象的作用下，或使敏感元件遮断光路，或使 敏感元件的光透射率发生变化，这样，光探测器 通光量便成为被测对象调制后的信号；
举例: (1) 投币机；计数装置
二、光导纤维以及光在其中的传播
在实际系统中，用光纤输出端面作为R面。
信号光束只受到垂直振动分量U⊥cosωt的调制。 由于振动体使反射点靠近或远离光纤，从而改 变了信号光束的光路长度，相应改变了信号光 与参考光的相对相位，产生了相位调制。信号 光与参考光之间的相位差为：
4
U cost
式中，λ为激光波长，ω为光波圆频率。
光纤传感器
目 录
一、概论 二、光导纤维以及光在其中的传播 三、光纤传感器的光源 四、光纤传感器应用范例
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。
光纤传感原理及应用技术课件
8 A 0c
1
2
光纤耦合器
光纤陀螺是近20年来发展起来的一门新技术，除了在航空航天技术中用于导 航、制导、定位外，也可用于石油钻井中跟踪钻头位置、机器人控制、汽车 以及在其他测量角度的系统中应用。与传统的机电陀螺相比，光纤陀螺具有 启动快、体积小、成本低等优光纤点传，感原因理此及应它用更技具术课有件竞争力。
B-两束光波在相遇点的光程差不能太大。
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （1）迈克尔逊(Michelson)光纤干涉仪
LD 分光镜
固定反射镜
可移动 反射镜
光探测器
LD 光探测器
固定反射镜 3dB
可动端S(t)
2k0L
光纤干涉仪与普通的光学干涉仪相比，优点在于： （1）容易准直； （2）可以通过增加光纤长度来增加光程，以提高干涉仪的灵敏度； （3）封闭式的光路，不受外界干扰； （4）测量的动态范围大。
Fiber
Fiber
图3 光纤传感器传感探头具体的结构形式 Fig.3 Diagram of the fiber-optic temperature sensor probe
图416 光吸收系数强度调制辐射量传感器
射线辐射会使光纤材料的吸收损耗 增加，使光纤的输出功率降低，从 而构成强度调制辐射量传感器光。纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （4）法布里珀罗（FabryPerot）光纤干涉仪
(c)
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
3、偏振调制型光纤传感器技术
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基于光学原理和光纤技术的传感器，它能够将光信号转化为电信号，从而实现对于光、温度、压力、位移、形变等物理量的测量。
光纤传感器具有高灵敏度、抗干扰能力强、体积小、可靠性高等优点，在工业控制、医疗仪器、环境检测等领域得到了广泛应用。
本文将介绍光纤传感器的原理和分类。
一、原理光纤传感器的工作原理是基于光的传输和反射原理。
它由光源、光纤、光纤接口以及探测器等组成。
光源发出的光经过光纤传输到目标位置，然后由目标位置的物理量引起的光纤弯曲、光纤长度变化、光纤的折射率变化等导致部分光反射回来，并通过光纤接口传回探测器进行光信号的转换。
通过测量光信号的变化，就可以获得目标位置的物理量信息。
二、分类光纤传感器根据测量的物理量以及测量原理的不同，可以分为多种类型。
下面介绍几种常见的光纤传感器分类：1. 光纤光栅传感器光纤光栅传感器是通过在光纤内部加入光栅结构，利用光栅对光信号进行调制和衍射，实现对物理量的测量。
光纤光栅传感器可以根据光纤光栅的类型和光栅的形状来分类，例如布拉格光纤光栅传感器、长周期光纤光栅传感器等。
2. 光纤干涉传感器光纤干涉传感器是利用光纤产生的干涉现象来测量目标位置的物理量。
它通常分为两类：强度型光纤干涉传感器和相位型光纤干涉传感器。
强度型光纤干涉传感器是通过测量干涉光强的变化来获得目标位置的物理量信息；而相位型光纤干涉传感器则是利用测量干涉光相位的变化来实现测量。
3. 光纤散射传感器光纤散射传感器是通过光纤中的散射现象进行测量的传感器。
根据散射的类型和机制的不同，可以将光纤散射传感器分为弹性散射型、布拉格散射型、拉曼散射型等多种类型。
4. 光纤光谱传感器光纤光谱传感器是通过光纤进行光谱分析，测量目标物质的光谱特征来获取物理量信息的传感器。
它可以用于化学分析、生物医学检测等领域。
除了以上分类，光纤传感器还可以根据测量的物理量来分类，例如光纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤位移传感器等。
光电子技术专业--光纤一维位移OFS传感器介绍原理结构图应用
2a
反射器 θC
R
输入光纤像
x
图 1 反射式光纤位移传感器原理图
I x
R0 I 0 R2 exp 3/ 2 2 x [1 ( )3 / 2 tg c ]2 a 1 x / a tg cຫໍສະໝຸດ 2
若我们测量小位移时，光源与输入光纤耦合 好，采用准共路光纤，ξ≈0，则上式变形为： 60 I(x)+R0I0•exp{-R2/a2} 50 I(x) 再对上式展开忽略高阶项，得到： 40 I(x)=I0•(a2R0/4x2tanθ c) 30 其中：数值孔径 NA=sin(θc) 20 且在图中近似得到： 10 tanθc=R/2x 图 2 I-x 图像 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 很显然，图中当d>R时，即输出（接收）光纤位于 反射光光锥之外，两光纤的耦合为零，无反射光进入 接收光纤，I(d)＝0；当d<R时，即输出（接收）光纤位 于反射光锥之内，有反射光进入接收光纤，I(d)≠0.且 得到I-x关系图如上。
（2） 非功能型光纤传感器中，光纤本身只起传光作用，并不是传感器的敏感元件。它是 利用在光纤端面或在两根光纤之间放置光学材料、机械式或光学式的敏感元件感受被 测物理量的变化，使透射光或反射光强度随之发生变化。 光纤一维位移传感器利用光纤传输光信号的功能，根据检测到的反射光的强度来测量光 纤至被测反射表面的距离，属于非功能型光纤传感器。
光纤一维位移OFS传感器
班级：光电XXXX班 姓名：XXXX 学号：XXXX
2015年05月13日
目录
OFS传感器的介绍 OFS传感器的原理 OFS传感器的结构图 OFS传感器的应用
光纤传感技术详解
• 光弹效应 解调原理：检偏器
25
普克尔效应（电光效应）
当压电晶体受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电 场时，晶体将呈现双折射现象，这种现象被称为Pockels效应， 如下图所示。并且，这种双折射正比于所加电场的一次方在晶 体中，两正交的偏振光的相位变化为
3 n0 r3U L 0 d
检测原理
应力应变效应：光纤长度变化 光弹效应:光纤芯折射率变化 磁致伸缩效应：光纤芯直径变化 声光效应 光热效应 萨格纳克(Sagnac)效应
被调制的 光信号
45
o
o
29
e
o
e
光束传播示意图
两光分量对应的振幅分别为：
轴1光分量振幅: A sin 4 轴2光分量振幅: A cos 4
A sin 4
轴1
参考矢量
A
A
O
4
A sin 4
光纤传感技术
1
光纤发展历史
1870年，英国物理学家丁达尔的实验
1960-光纤发明
1966-华裔科学家“光纤之父”高锟 预言光纤将用于通信。 1970-美国康宁公司成功研制成传输损耗只有20dm/km的光纤。 1977-首次实际安装电话光纤网路 1978-FORT在法国首次安装其生产之光纤电 1979-赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤，被誉为“中
其中：n0 — 正常折射率；re — 电光系数；U — 加在晶体片上的横向电压； λ— 光波长；L — 光传播方向晶体长度；d — 电场方向晶体厚度。
26
传感器与检测技术光纤式传感器
11光控定位光纤开关——光纤式传感器的测试项目描述•光纤开关与定尺寸检测装置是利用光纤中光强度的跳变来测出各种移动物体的极端位置，如定尺寸、定位、记数等。
特别是用于小尺寸工件的某些尺寸的检测有其独特的优势。
如图11-1所示，当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。
•通过本项目的学习。
•主要给大家介绍光纤•式传感器（简称光纤•传感器）工作原理及•相关传感器。
知识准备•光纤传感器的结构和原理•（一）光纤• 1. 光纤结构•光纤透明、纤细，虽比头发丝还细，却具有能把光封闭在其中，并沿轴向进行传播的特征。
中心的圆柱体叫作纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫作包层。
纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。
光纤的结构光缆的外形及光纤的拉制各种装饰性光导纤维发光二极管产生多上海东方明珠种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。
在计算机控制下，可产生动态图案。
光纤的类型阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致，称为多模光纤。
梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。
常用光纤类型及参数如表所示。
纤芯直径包层直径 /m m /mm 类型 单模 折射率分布 数孔径 值 2～880～1250.10～0.15 多模阶跃光纤(玻璃)80～200100～2500.1～0.3 多模阶跃光纤(玻璃/塑料)200～1000230～12500.18～0.50 50～100125～1500.1～0.2 多模梯度光纤2．光纤的传输原理•（1）光的折射定律•当光由光密物质(折射率n)入射至光疏物质(折射率n)时12发生折射光的反射、折射当一束光线以一定的入射角θ1从介质1射到介质2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。
光的全反射当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。
光纤传感技术
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。