第3章 强度调制型光纤传感器
强度调制-直接探测光纤通信系统
106=1.77×10-9s，Δf =3.59×108Hz。为了保证这样的带宽，负载电阻 RL≤1/2πΔfC，将 C＝
1×10－12F 1
代入上式，得到
RL≤443Ω，取
RL
为
400Ω。取
T=290K，且
η＝0.5，λ＝1.33μm，
is /(iN2 )2 = 11.89 ，则输入到光探测器的最小光功率为
由图92可知要满足p109则输入到阈值检波器的信噪比为101214161820221011031051071091011图92误码率p20lg21592式中均方噪声电流为pin光电二极管的散粒噪声负载电阻r的热噪声及放大器的附加噪声三者之和即为流过pin光电二极管的平均光电流f为带宽f为放大器的噪声系数
1. 强度调制－直接探测光纤通信系统[4]
图 9-1 所示为典型的强度调制－直接探测型高速光纤数字通信系统示意图。所用光源 为 λ＝1.33μm 的 InGaAsP 激光器，加载了调制信号的激光耦合到损耗为 1dB/km 的光纤中。 在接收端，光纤中输出的光信号由高速 InGaAs 材料制作的 PIN 光电二极管进行探测。在 λ ＝1.33μm 处，PIN 光电二极管的量子效率 η=0.5，总电容为 1×10－12F。光电二极管输出的 电信号由噪声系数（见 10.2 节）为 6dB 的场效应管放大器放大，放大了的电信号被送入判 别电路中的阈值检波器。设计基本要求：（1）高速码速 565Mb/s；（2）误码率小于 10－9；（3） 光纤路程大于 20km 路程。
10-9
10-11
8 10 12 14 16 18 20 22
20lg is / dB i N2
图 9-2 误码率 Pe 与探测器输出端信噪比的关系
光线传感器的原理及应用
光线传感器的原理及应用摘要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。
来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。
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。
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、光导纤维的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，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。
随着现代科学技术的发展, 信息的获得显得越来越重要。
光纤传感器具有许多优点：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的光纤传感器；可以制作传感各种不同的物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；光纤传感器可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀和其他的恶劣环境；具有与光纤遥测技术的内在相容性。
1、灵敏度高由于光是一种波长极短的电磁波, 通过光的相位便得到其光学长度。
以光纤干涉仪为例, 由于所使用的光纤直径很小, 受到微小的机械外力的作用或温度变化时其光学长度要发生变化, 从而引起较大的相位变化。
2、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。
对雷达等信号的分析要求具有极高的检测速率, 应用电子学的方法难以实现, 利用光的衍射现象的高速频谱分析便可解决。
光纤传感器的原理及应用
统外部观察 、 监视系统 内部情 况， 其原理 图如 下图 ４所示 。它 由物镜 、 传像束 、 传光束、 目镜组成 。光源发出的光通过光束 照 射到被测物 体上 ， 明视场 ， 照 通过物镜和传像 束把 内部结构 图 像送出来， 以便观察或照相 。
接 收装置转换为 电信号 ，经过信 号处理电路处理后便 可 以正
聂 帅华 ， ， 西 南 昌 人 ， 男 江 本科 在 读 。研 究方 向 ： 子技 术 ， 电 通信 工程 。
６ ８—
一
应 用 技 术 与 研 究 囊
中的光强度产生调制。可直接连接光探测器变成 电信号 （ 即调 制的强度包括 电信号） 。
３ ． 相 位 调 制 光 纤 传 感 器 ．２ ２
一
部分反射回纤芯。 但当入射角ｅ 小于临界入射角ｅ 时， 。 光线
反复逐 次全反射 ， 呈锯齿波形状在纤芯 内向前传播 ， 最后从光
纤 的 另一 端 射 出 ， 就 是 光 纤 的 传 光 原理 【 这 ２ ＿ 。
器解调后 ， 获得被测参数 。
３２ 光 纤 传 感 器 分类 ．
就 不 会 透 射 出 界面 ， 全 部 被 反 射 ， 在纤 芯 和 包 层 的 界 面 上 而 光
点介绍了光纤传 感器 的原理及 其在 各方面的广泛应用 。光 纤
传 感 器 的 应 用 远 不 止 于 此 ， 了上 述 应 用 之 外 ， 传 感 器 在 全 除 纤 光 网络 安 全 、 长 油 田使 用 、 物 传 感 、 联 网 等 各 方 面 也 有 延 生 物 重 要 应 用 ， 且我 们 相 信 光 纤传 感 器 还 会 得 到进 一 步 的 发 展 ， 并 应 用 到 人们 生活 的方 方 面 面 。
光纤传感技术(全)
设备故障诊断
通过光纤传感器对设备运行过程中 的振动、温度、压力等参数进行实 时监测，实现故障预警和远程诊断 。
环境监测
在工业生产环境中，光纤传感器可 用于监测气体、液体、固体等环境 参数的变化，确保生产安全。
能源环保领域应用
油气管道监测
光纤传感器可用于油气管道的泄漏监测和定位，提高管道运输的安 全性和环保性。
02
光纤传感器类型及性能参数
点式光纤传感器
工作原理
利用光纤传输光信号，通过测量光信号在光纤中 传输时的变化来感知和测量被测物理量。
主要类型
包括反射式、透射式和干涉式等。
应用领域
广泛应用于温度、压力、位移、振动等物理量的 测量。
分布式光纤传感器
工作原理
利用光纤中传输的光信号 受到被测物理量的调制， 通过检测光信号的变化实 现分布式测量。
电力系统监测
在电力系统中，光纤传感器可用于监测电缆、变压器等设备的温度 、应变和振动等参数，确保电力系统的稳定运行。
新能源应用
光纤传感器可用于风能、太阳能等新能源设备的监测和控制，提高能 源利用效率和环保性。
生物医学领域应用
1 2 3
医疗诊断
光纤传感器可用于医疗诊断和治疗过程中，如内 窥镜、激光手术等，实现对人体内部生理参数的 实时监测。
发展历程
自20世纪70年代光纤传感技术诞生以来，经历了从实验室研究到商业化应用的逐步成熟过程。随着光 纤制造、光电子器件和信号处理技术的不断进步，光纤传感技术的性能不断提高，应用领域也不断扩 展。
光纤传感技术原理及特点
01 原理
02 高灵敏度
03 抗电磁干扰
04
05
耐腐蚀、耐高温 分布式测量
《光纤传感器》课件
频率调制型
通过外界物理量的变化引起光 纤中光的频率变化，从而实现 对外部参数的测量。
相位调制型
通过外界物理量的变化引起光 纤中光的相位变化，从而实现
对外部参数的测量。
光纤传感器的应用领域
工业自动化
用于监测温度、压力、流量、液位等参数， 实现工业过程的自动化控制。
环境监测
用于监测环境中的温度、湿度、压力、气体 浓度等参数，实现环境监测和治理。
光纤传感器在高温、低温或温度变化环境下保持性能的能力。高温度适应性传感器能够在更宽的温度范围内正常 工作，适用于各种恶劣环境。
湿度适应性
光纤传感器在潮湿、干燥或湿度变化环境下保持性能的能力。高湿度适应性传感器能够在更宽的湿度范围内正常 工作，适用于各种环境湿度条件。
05
光纤传感器的发展趋势与挑战
新材料与新技术的应用
光纤传感器
目录
• 光纤传感器概述 • 光纤传感器的技术原理 • 光纤传感器的设计与制造 • 光纤传感器的性能指标 • 光纤传感器的发展趋势与挑战 • 光纤传感器案例分析
01
光纤传感器概述
定义与工作原理
定义
光纤传感器是一种利用光纤作为敏感元件的传感器，能够检测和测量物理量、 化学量和生物量等参数。
新材料
新型光纤材料如掺铒光纤、光子晶体光纤等，具有更高的非线性效应和增益特性，提高了光纤传感器 的性能。
新技术
量子点、纳米线等新型纳米材料的应用，提高了光纤传感器的灵敏度和分辨率。
集成化与小型化的发展趋势
集成化
将多个光纤传感器集成在同一根光纤上，实现多参数、多维度的测量，提高了测量效率 和精度。
小型化
光纤压力传感器的应用案例
总结词
光纤压力传感器在石油、化工、航空航天等 领域有重要应用。
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。
光纤传感器的主要原理和应用概述
光纤传感器的主要原理和应用概述摘要：与其他类型的传感器相比，光纤传感器具有一些优势。
这些优势基本上与光纤的特性有关，即体积小、重量轻、耐高温和高压、电磁无源等等。
感应是通过探索光的特性来获得参数的测量，如温度、应变或角速度。
本文提出了一个更广泛的概述，为读者提供了一个文献综述，描述了光学传感的主要原理，并强调了光学传感的多功能性、优势和不同的实际应用。
1、引言光纤技术的发展标志着全球通信技术的一个重要举措。
上世纪70年代，低衰减光纤的出现使高带宽长距通信成为可能[1]。
自此以来，产量持续增长，到21世纪初，光纤已经迅速地安装在世界各地[2]。
光纤技术的发展也使完全在光纤中进行光学处理的设备得以发展，减少了插入损耗，提高了处理质量[3]。
促成光纤技术全面迁移的一个因素是对光敏光纤的鉴定。
这一发现是由Hill等人在1978年做出的[4]，并导致了光学纤维布拉格光栅（FBG）的发展。
在关注和使用光通信的同时，布拉格光栅在光纤传感器中也获得了突出的地位，因为它在不同的传感应用中具有多功能性[5]。
一些市场应用领域，如航空[6]、航天[7]、土木工程[8]和生物[9]或环境监测[10]，已经吸取了这种技术的优点使得行业快速发展。
光纤为许多类型的应用和环境提供高性能信息传输解决方案。
光纤传感器可以利用引导光的一个或几个光学参数，如强度、相位、偏振和波长来改变传感器的设计性能和应用场景。
与此同时，光纤可以提供双重功能：通过改变光纤传播的光的特性来测量几个参数；作为一个通信通道，减少了一个额外的专用通信通道，从而提供了一个与所有其他传感技术所不具备的独特优势。
光纤传感器是电磁学上的无源之物。
这一特性非常重要，因为它允许在其他类型的传感器无法布局的地方使用。
例如，在有爆炸危险的高电场和可变电场环境中。
此外，作为光纤基本传导材料的二氧化硅化合物对大多数化学和生物制剂有抵抗力，因此可以在这种环境和材料中使用。
另一个优点是，光纤传感器可以是小而轻的[11]。
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。
第四章-强度调制型光纤传感器11
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
反射面
LD
Emitting Fiber x
发射光纤像
yo
z
a
2r
PIN
Receiving Fiber
位移方向
d
确定传感器的响应（发射光纤-平面镜-接收光纤的光 路耦合）等效于计算虚光纤与接收光纤之间的耦合
假设发射光纤与接收光纤的间距为d，且都具有阶跃型折射 率分布，芯径为2r，光纤数值孔径为NA，且T tan(sin1 NA)
第四章 强度调制型光纤传感器
➢等芯错位式
4.2 反射式强度调制
✓ TF 与RF1、RF2均相同，芯径为r1、包层厚度为t1， 包层之间无间隙；
✓ TF反射端面与RF1、RF2的接收端面间错位量分 别为b1和b2。
第四章 强度调制型光纤传感器
➢等芯错位式
4.2 反射式强度调制
✓ 可抑制光源功率波动、反射率变化的影响，但对 特性曲线的线性范围、灵敏度改善不明显。
第四章 强度调制型光纤传感器
➢等芯不等间距式
4.2 反射式强度调制
✓ 光强调制特性本质上没有区别。 ✓ Ⅰ式由于光纤之间紧密排列，因而光轴间距容
易准确确定，仅由光纤芯径和包层决定；Ⅱ式 由于光纤包层之间存在间隙，因此光纤的间距 不容易准确给定，容易引入测量误差；
实际应用中采用Ⅰ式结构
第四章 强度调制型光纤传感器
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
发射光纤 接收光纤
反射式光纤传感器的基本结构
光纤传感器的作用机理和应用领域.
拾光型光纤传感器
光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其发射、散射的光
无需特殊光纤，比较容易实现，成本低
灵敏度比较低
光纤激光多普勒速Biblioteka 计辐射式温度传感器光受被测量调制的形式
强度调制型光纤传感器
利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，导致光强度变化来实现
结构简单
容易实现
成本低
易受光源波动和连接器损耗变换的影响
表2光纤传感器的作用机理和应用领域
分类
作用机理
优点
缺点
应用
光纤在传感器中作用
功能性
光纤传感器
光纤即是导光媒质，也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制
结构紧凑
灵敏度高
须用特殊光纤，成本高
光纤陀螺
光纤水听器
非功能型
光纤传感器
光纤在其中仅起导光作用
无需特殊光纤及其它特殊技术，比较 容易实现，成本低
灵敏度比较低
相位调制传感器
运用机理
优点
缺点
应用
压力、振动、位移、气体传感器
偏振调制光纤传感器
利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息
可避免光源强度的变化的影响，灵敏度高
不容易实现
电流、磁场；电场、电压；压力、振动；温度、压力、振动传感器
频率调制光纤传感器
被测对象引起的光频率的变化来进行检测
容易实现，成本低
灵敏度不高
光纤速度、流速、振动、压力传感器；大气传感器；温度传感器