Sagnac干涉型光纤电流传感器研究_
sagnac效应原理
sagnac效应原理
Sagnac效应原理
Sagnac效应是一种基于旋转光学的现象，它是由法国物理学家Georges Sagnac在1913年首次发现的。
Sagnac效应是一种基于相对论的现象，它可以用来测量旋转物体的角速度。
Sagnac效应的原理是基于光的相对性原理，即光在不同的参考系中的速度是相同的。
当光在一个旋转的环形路径上运动时，由于环形路径
的旋转，光的传播速度会发生微小的变化。
这种微小的变化会导致光
的相位发生变化，从而产生干涉现象。
Sagnac效应的实验可以通过一个环形光路来实现。
在这个光路中，光会沿着一个方向传播，然后沿着相反的方向返回。
当这个光路旋转时，光的传播速度会发生微小的变化，从而导致光的相位发生变化。
这种
相位变化会导致干涉现象，从而产生一个干涉图案。
Sagnac效应的应用非常广泛，它可以用来测量旋转物体的角速度。
例如，在惯性导航系统中，Sagnac效应可以用来测量飞机或船只的旋转角速度，从而确定它们的位置和方向。
此外，Sagnac效应还可以用来测量地球的自转速度和光纤陀螺仪的性能。
总之，Sagnac效应是一种基于旋转光学的现象，它可以用来测量旋转物体的角速度。
Sagnac效应的原理是基于光的相对性原理，即光在不同的参考系中的速度是相同的。
Sagnac效应的应用非常广泛，它可以用来测量飞机或船只的旋转角速度，从而确定它们的位置和方向。
光纤传感器的分类PPT课件全
反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。 意义：无论光源发射功率有多大，只有2θi张角
之内的光功率能被光纤接受传播。 大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。 但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。
2. 光纤模式
按传输模式分为单模光纤和多模光纤。
阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为
4.4 光纤传感器
4.4.1 光导纤维的结构和导光原理 4.4.2 光导纤维的主要参数 4.4.3 光纤传感器结构原理 4.4.4 光纤传感器的分类 4.4.5 光纤传感器的特点 4.4.6 光纤传感器的应用
4.4.1 光导纤维的结构和导光原理
圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略 大于包层的折射率（n2<n1）
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
利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀 螺）
优点：灵敏度很高， 缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。
4.4 光纤传感器
4.4.1 光导纤维的结构和导光原理 4.4.2 光导纤维的主要参数 4.4.3 光纤传感器结构原理 4.4.4 光纤传感器的分类 4.4.5 光纤传感器的特点 4.4.6 光纤传感器的应用
4.4.4 光纤传感器的分类
传感器
光学现象
被测量
光纤
分类
干
光纤传感器相位调制
干涉（磁致伸缩）
涉
干涉（电致伸缩）
型
Sagnac效应
光弹效应
干涉
电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移 温度
SM、PM
a
SM、PM
a
SM、PM
光纤传感原理与技术
§10.1 光纤传感原理回顾
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。 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
光发送器
光纤
信号处理
敏感元件
光受信器
耦合器
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。
光发送器
信号 处理
光纤
光受 信器
被测对象
光纤理论与技术
第十章：克服困难中带来的副产品——光纤传感原理与技术
2.根据光受被测对象的调制形式
第十章：克服困难中带来的副产品——光纤传感原理与技术
§10.2.1.2 Sagnac效应
Sagnac效应是指在任意几何形状的闭合光路中，从某 一点观察点发出的一对光波沿相反方向运行一周后又回到 该观察点时，这对光波的相位（或它们经历的光程）将由 于该闭合环形光路相对于惯性空间的旋转而不同，其相位 差（光程差）的大小与闭合光路的转速速率成正比。
第十章：克服困难中带来的副产品——光纤传感原理与技术
第十章 光纤传感原理与技术
§10.1 光纤传感原理回顾 §10.2 几种主要的光纤传感器
§10.2.1光纤陀螺 §10.2.2光纤水听器 §10.2.3白光干涉型光纤应变传感器 §10.2.4光纤光栅传感器
利用干涉方法进行光纤传感的例子
想象一下光纤电缆里有个小迪斯科派对！ Fabry—Perot干涉仪通过在纤维中设置两个部分反射的表面来创造出一个酷酷的光亮显示器，类
似于一个用于光线的迷你舞楼。
当光线在两个表面之间开始回转时，
它会产生奇异的干扰模式。
但这里是真正很酷的部分——任何外力或拉在纤维上会改变舞池的大小，使干扰模式发生改变。
就像有线电视
告诉我们 "嘿，这里有事" 这样，我们就能用超高的敏感度和精确度来测量所应用的力量。
这就像光纤电缆是终极的派对动物，总是准备好感受最微小的动作！
另一个例子是米歇尔森干涉仪（Michelson interfermed），它使用一个奇异的光束分光器将电线光线分成两条路径。
一条路通过感知纤维
而另一条路只是作为参考两条路径的光线随后被混合在一起，形成干
扰图案。
当感知纤维经历温度或强度等外部变化时，两条路径之间的
相位差异会发生变化，导致干扰模式的转变。
通过测量这种转变，我
们可以准确地检测和测量外部的变化。
利用基于干扰的光纤传感器可带来多种好处，包括提高敏感性、抗电
磁干扰以及远距离扩展探测的可能性。
这些传感器在结构健康监测、
环境监测和生物医学诊断等领域广泛应用。
随着光学技术的持续发展，干扰技术在推进开创性和可信赖的光纤感知系统方面仍然至关重要。
大学物理实验光纤传感实验讲义
⼤学物理实验光纤传感实验讲义光纤传感实验光纤特性的研究和应⽤是20世纪70年代末发展起来的⼀个新的领域。
光纤传感器件具有体积⼩、重量轻、抗电磁⼲扰强、防腐性好、灵敏度⾼等优点；⽤于测量压⼒、应变、微⼩折射率变化、微振动、微位移等诸多领域。
特别是光纤通信已经成为现代通信⽹的主要⽀柱。
光纤通信的发展极为迅速，新的理论和技术不断产⽣和发展。
因此，在⼤学物理实验课程中开设“光纤特性研究实验”已经成为培养现代⾼科技⼈才的必然趋势。
传感器是信息技术的三⼤技术之⼀。
随着信息技术进⼊新时期，传感技术也进⼊了新阶段。
“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点已被全世界所公认，因此，传感技术受到各国的重视，特别是倍受发达国家的重视，我国也将传感技术纳⼊国家重点发展项⽬。
光纤特性研究和应⽤是⼀门综合性的学科，理论性较强，知识⾯较⼴，可以激发学⽣对理论知识的学习兴趣，培养学⽣的实践动⼿和创新能⼒，光纤⼲涉系列实验教学的开设就显得⾮常重要了。
基于这个⽬的，我们对光纤⼲涉实验教学进⾏了初步探索，在此基础上，该实验还可以进⾏⼀些设计性及研究性实验。
⼀、实验⽬的1.了解光纤与光源耦合⽅法的原理；2.理解M—Z⼲涉的原理和⽤途；了解传感器原理；3.实测光纤温度传感器实验数据。
⼆、实验仪器激光器及电源，光纤夹具，光纤剥线钳，激光功率计，五位调整架，显微镜，光纤传感实验仪，CCD及显⽰器，等等三、实验原理(1)光纤的基础知识光纤的基本结构如图1，它主要包括三层（⼯程上有时有四层或五层，图中是四层结构）：1.纤芯；2.包n 层；3.起保护作⽤的涂敷层；4.较厚的保护层。
纤芯和包层的折射率分别是1和2n ，如图2，为了使光线在光纤中图1.光纤剖⾯图传播，纤芯的折射率（1n ）必须⽐包层(2n )的折射率⼤，这样才会产⽣全反射。
光线1以θ⾓⼊射在光纤端⾯上，光线经折射后进⼊光纤，以?⾓⼊射到纤芯和包层间的光滑界⾯上。
只要我们选择适当的⼊射⾓θ，总可以使?⾓⼤于临界⾓m ?，m ?的⼤⼩由公式)/arcsin(12n n m =?决定，使光线1在界⾯上发⽣全反射。
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。
光纤传感器的应用与发展
光纤传感器的应用与发展摘要:本文主要阐述了传光型光纤传感器与传感型光纤传感器的基本原理,及光纤传感器的结构、原理、分类、特点、现状及发展趋，提出了光纤传感技术存在的问题以及发展方向，并介绍了光纤传感器的几种应用。
关键词:光纤传感技术调制发展趋势应用举例Abstract: The principles of some kinds of optical fiber sensors are introduced，and the optical fiber sensor's structure, the principle, the classification, the characteristic, the present situation and the development hasten .The problems and developing direction of optical fiber sensing technology are proposed. At the same time introduced optical fiber sensor's several kind of applications.Key words: fiber optic sensing technology；modulation；trend of development；application example0 引言近几年,传感器产量的年增长率均保持在10%以上,目前全球从事传感器生产和研制的单位达5000多家。
传感技术作为当今世界迅猛发展起来的技术之一,已经成为一个国家科学技术水平发展的重要标志。
光纤传感技术的出现与光导纤维和光纤通信技术的发展是分不开的，是一种崭新的传感技术。
光纤传感器是以光纤为材料的传感器。
本文阐述了光纤传感技术，及光纤传感器的原理、特点、现状及发展趋势，并介绍了光纤传感器的几种应用。
光纤传感器的发展及应用
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图２锁定放大器的ＭＡＴＬＡＢ模型 路模型如图３所示。
参考文献 ｌ贺安之．现代传感器原理及应用【Ｍ】．北京：宇
航出版社．１９９５． ２郑宏军．两种典型的光纤传感器研究现状
和发展趋势【Ｊ】．传感技术学报，２００ｌ（４） ３尚丽平，张淑清，史锦珊等．光纤光栅传感器
的现状与发展册．燕山大学学报，２００ｌ（２） ４杨春曦，胡中功，戴克中等．光纤传感器的应
用及发展【Ｊ】．武汉化工学院学报，２００４（２） ５何慧灵，赵春梅，陈丹等．光纤传感器现状【Ｊ】．
广阔的市场．其研究和开发在世界范围内 引起了高度的重视。各国更是竞相研究开 发并引起激烈的竞争。美国是研究光纤 传感器起步最早、水平最高的国家，在军 事和民用领域的应用方面．其进展都十分 迅速。在军事应用方面，研究和开发主要
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1.期刊论文 程湘.王宇华.段发阶.CHENG Xiang.WANG Yu-hua.DUAN Fa-jie 叶端定时光纤传感器特性研究 -传感技
术学报2006,19(4)
为了探讨叶端定时光纤传感器的设计方法和设计依据,在实验测量的基础上建立了一个在高斯光束几何反射模型下的一维数值计算方法,可以在计算 机上对叶端定时光纤传感器的特性进行计算分析,为叶端定时光纤传感器的优化设计提供了一个必要工具.对62.5/125多模光纤构成的19芯和37芯叶端定 时光纤传感器的计算分析结果表明,传感器端面处的反射光斑半径在300 μm附近时有最佳的信噪比和接收光强波形;由发射光纤直接出射光束的19芯或 37芯叶端定时传感器在与叶端的间距为1～3 mm范围内有较好性能;若用LD作为光源,37芯叶端定时传感器可以更好地的减少激光散斑的影响.
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第1章 绪论
1
第1章 绪 论
1.1 引言
在人类步入信息社会的今天，人们对信息的提取、处理、传输以及综合等要求
愈加迫切。作为信息提取的功能器件，传感器与人类的关系愈来愈密切。传感器技
术是现代信息技术的重要组成部分，也是代表国家科技竞争力的核心技术之一。从
某种程度来说，一个国家的现代化水平是用自动化水平来衡量的，而自动化水平是
用采用传感器的种类多少和数量来衡量的。
光纤传感技术是现代传感器技术的一个重要分支，它是伴随着光导纤维及光纤
通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界
信号(被测量)的新型传感技术。这种光纤技术的非通信应用，被普遍认为是近代检测
技术的发展方向之一。近年来，光纤传感技术的发展十分迅速，显示出巨大的开发
潜力和应用前景。
光纤传感器具有一些常规传感器无可比拟的优点。例如，灵敏度高、响应速度
快、动态范围大、抗电磁干扰、超高压绝缘、无源性、防燃防爆、适于远距离遥测、
多路系统无地回路“串音”互扰、“传”和“感”合二为一、抗化学腐蚀、机械强
度大、与电子学系统易兼容、材料资源丰富和成本低等。特别适用于石油化工、电
力、机械、冶金、生物医学及国防等部门应用。特别是在易燃易爆、超高压电器设
备、强电磁干扰、强化学腐蚀等特殊工作环境中，进行多种物理量测量。光纤传感
实现的物理量测量很广，包括声压、位移、加速度、应变、扭矩、旋转速率、温度、
流量、压力、液位、磁场、电场、电流、电压、放射性、化学成分等等。
光纤传感器的分类方法很多，主要有三种。一是按被测物理量分类，根据被测
量有光纤温度、光纤压力、光纤声波传感器等。二是根据光纤在检测系统中的作用
来分类，有功能型和非功能型两种。功能型光纤传感器中的光纤不仅起信号传输作
用，而且同时又是基本敏感元件，在外界被测量的作用下，光纤中的波导光被调制，
发生某种特定的光参数变化，功能型中的光纤把信号的“传”和“感”合二为一，
故又称传感型光纤传感器。非功能型光纤传感器中的光纤只是信号的传输媒介，对
被测量的敏感或光调制借助于其它元器件完成，这种传感器的传输和传感是分开的，
发送光纤和接收光纤是不连续的，两者之间需要通过光学的或机械的装置把非光纤
敏感器嵌入其中。有时把这种传感器又称为传光型的光纤传感器或外调制型光纤传
燕山大学工学博士学位论文
2
感器[1]。第三种是按传感机理分类，即按光纤中的波导光参数来分类，在外界被测物
理量的作用下某光参数被调制。光可能被调制的参数有五个：光强度、光相位、光
偏振、光频率和光波长，故按此分类方法可把光纤传感器分为：光强度调制型、光
相位调制型、光偏振调制型、光频率调制型和光波长调制型五种。其中光强调制型、
光相位调制型和光偏振调制型是三种主要的传感方式。由于现有的任何—种光探测
器都只能响应光的强度，而不能直接响应光的频率、波长、相位和偏振态这四种光
波物理参量，因此光的频率、波长、相位和偏振调制信号都要通过某种转换技术转
换成强度信号，才能为光探测器接收，实现检测。
光纤电流传感器是光纤传感器的一种，与其它光纤传感器在原理及结构上有共
同的地方，但由于所测物理量的特殊性，它又有其自身的特点。本文研究的Sagnac
型光纤电流传感器，是一种功能型、相位调制的电流传感器。通过对其理论模型、
系统结构、功能部件等的全面研究，为这种传感器的进一步发展起到一定的促进作
用。本章将对光纤电流传感器的意义、基本原理、分类、发展状况、存在的问题及
本文的工作做一个综合性的评述。
1.2 光纤电流传感器概况及意义
电力工业是国家经济建设的基础工业 ,在国民经济建设中有举足轻重的地位。
近年来随着各国经济的迅速发展 ,对电力的需求日益增大 ,电力系统的额定电压等
级和额定电流都有大幅度的提高。例如,60年代前苏联和欧洲某些发达国家纷纷将原
来的 220 KV的骨干电网发展为500 KV的骨干电网,到80年代前苏联甚至出现了
1150 KV的特高压输电线路,而中国也由80年代的220 KV骨干电网发展到目前500
KV骨干电网,预计进入21
世纪后随着金沙江等大容量梯级电站的建设，中国将出现
由特高压1200 KV的输电线路进行电力的输送
[2]
。与之相应的电力系统中的输变电
设备的额定电压和额定电流都要随之提高,因此,必须研究和发展新型的高压设备,
电流互感器就是其中之一。
电流和电压的测量在电力工业中起着极为重要的作用，它们为电力系统提供用
于计量、控制和继电保护所必需的信息。在计量方面，要求测量装置具有很高的测
量准确度及稳定性，而为了系统保护的需要，要求测量装置测试速度快、反应迅速。
同时，电力系统运行的不间断性也对测量装置的可靠性及维护性提出了很高的要求。
这种电流测量系统可分为三个部分，如图1-1所示，传感头位于户外被测高压线处，
传输线路用来将信号传输到控制室，显示及接口单元位于控制室内。