3.12 光纤式传感器
常见光纤传感器比较
法布利-比罗特(简称FP)、布拉格光栅(简称FBG)和荧光式光纤传感器都是当前流行，技术上也比较先进的传感器。
精度应该说它们都具有很高的精度，都可以满足绝大多数需求。
但如果进行深入的探讨，从理论上，光纤光栅传感器所能达到的精度要为高。
从加工的角度来说FP的传感精度主要决定于腔长的加工精度，而FBG的精度主要决定于光栅周期间距与有效折射率的控制。
当加工精度都得到保证的时候，FBG将凭借其本身测量机理中优异线性度取胜。
从传感原理可以看出，FP的腔长变化转化为Δλ是通过相位变化和干涉实现的，这是一个非线性过程，而FBG直接通过公式λB= 2neffΛ 实现有效折射率和光栅周期关于Δλ的转化，完全线性，理论上说将能提供更好的精度。
除此以外，光纤光栅反射光在频域内较之FP干涉极大波包更为尖锐，因此对其中心谱线的测量也应当更为精确。
荧光式测温精度主要取决于荧光物质受激发出荧光的特性和对荧光光强度变化的检测，目前的技术工艺水平，使其测量精度与前两种技术相当，其成本会随精度和测量范围而变化。
但在实际产品中，测量精度受到具体厂家对产品本身的材料、工艺加工水平、信号解调器分辨率等客观因素的影响，还需要针对具体的产品进行具体对比。
集成度与组网在这方面，FBG无疑有着很明显的优势。
光纤光栅其本身的特点使得每个探点仅利用相当少的光源分量，绝大部分光都透过并继续传播。
根据上文介绍，一根光纤上可以最多同时使用30个光栅，传输距离超过45km。
这一特点无疑为组网带来巨大便利。
同时波分复用等技术的使用，也提高了这一技术的可行性。
总得来说FBG非常适合做大范围多节点的分布式测量。
至于FP和荧光式，则对于小规模的网络将更容易实现。
复杂度FP和荧光式系统的复杂度应当远低于FBG，其中荧光式最简单。
正如原理部分所阐述，前两种传感器技术最终都归结到对Δλ的测量，明显的，因为FBG的信号弱，并且多伴有解复用要求，其系统要远复杂于FP。
而荧光式属于光强检测，相对更加简单。
光纤传感器结构原理及分类
光纤温度传感器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。
光纤传感器
(b) 临界状态示意图
sin ϕ10=n2/n1
ϕ10=arcsin(n2/n1)
临界角
11
并继续增大时， 当ϕ1 ＞ϕi0并继续增大时，ϕ2 ＞90º， n2 ， 这时便发生全反射现象， 如图(c) ， n1 这时便发生全反射现象 ， 如图 其出射光不再折射而全部反射回来。 其出射光不再折射而全部反射回来。
5
光纤温度传感器 OTG-M170光纤温度传感器的直径是 光纤温度传感器的直径是170um， 它 光纤温度传感器的直径是 ， 是最小的光纤温度传感器，响应时间为10ms。 是最小的光纤温度传感器，响应时间为 。 在医疗工业要求中，精度可达到± 在医疗工业要求中，精度可达到± 0.3°C，满量 ° ， 程温度范围+20°C到80°C。 程温度范围 ° 到 ° 。
B、心血管血压监控：微小和末端感应光纤传 、心血管血压监控：
压力感器是制作心血管血液压力导尿管的理想传 感器。 感器。 C、头颅，隔膜的动态压力测量等 、头颅，
6
2、电力行业 、
光纤传感器是开关设备和其它高电压器件（ 光纤传感器是开关设备和其它高电压器件 （ 如母 的温度上升，高温循环测试的理想选择。 线 ） 的温度上升 ， 高温循环测试的理想选择 。 光 纤传感器耐高温，对电磁/射频， 纤传感器耐高温，对电磁/射频，高电压和电子干 扰完全免疫。 扰完全免疫。
3
光纤传感器的应用
应用： 压力、温度、加速度、 应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀
位移、 液面、 转矩、 光声、 螺 、 位移 、 液面 、 转矩 、 光声 、 电流和应 变等物理量的测量。 变等物理量的测量。
测量对象：电流磁场、电压电场、温度、 测量对象：电流磁场、电压电场、温度、
第12章光纤传感器.
第12章
光纤传感器
（1）光纤的结构和传输原理 ①光纤结构：
基本采用石英玻璃， 有不同掺杂，主要 由三部分组成 中心——纤芯； 外层——包层； 护套——尼龙料。 • 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质， • 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2（N1＞N2）。
第12章
光纤传感器
（1）光纤的结构和传输原理 ②光纤的传光原理： 光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角 度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时， 光线全部反射。 只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上经若干次 全反射向前传播，最后从另一端面射出。
NA 0.2 0.4
第12章
光纤传感器
（2）光纤的性能（几个重要参数） ②光纤模式（V） 光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式， 不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。 光波之间的干涉产生的强度分布也不同，模式 值定义为： 式中： α为纤芯半径； 2
V
0
( NA)
0为入射波长。
•
•
第12章
光纤传感器
反射式光纤位移传感器
第12章
光纤传感器
反射式光纤位移传感器
讨论：
• • • 前坡区—— 输出信号的强度增加快，位移输出曲 线有较好的线性关系，可进行小位移测量； 后坡区—— 信号随探头和被测体之间的距离增加 而减弱，该区域可用于距离较远要求不高的测量； 光峰区—— 输出信号 有最大值，值的大小 决定被测表面的状态， 可用于表面状态测量， 如工件的光洁度或光 滑度。
第12章
②光纤模式
光纤传感器
第12章
光纤传感器
模式讨论： • 模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传 播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用 多种模式会使光信号分不同时间到达多个信号， 导致合成信号畸变。 • 模式值V小，就是α值小，即纤芯直径小，只能 传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好， 畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、 连接困难。 • 除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度 多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最 常用的普通光纤。
光纤加速度传感器的工作原理
光纤加速度传感器的工作原理
光纤加速度传感器是一种基于光学原理的传感器，它可以测量物体的加速度。
它的工作原理是利用光纤的特性，将光信号传输到物体上，通过物体的加速度对光信号的相位差进行测量，从而得到物体的加速度。
光纤加速度传感器由光源、光纤、光学调制器和光电检测器组成。
光源发出的光信号通过光纤传输到物体上，物体的加速度会导致光纤长度的微小变化，从而引起光信号的相位差。
光学调制器可以将相位差转换为光强的变化，光电检测器可以将光强的变化转换为电信号，最终得到物体的加速度。
光纤加速度传感器具有高精度、高灵敏度、抗干扰能力强等优点，广泛应用于航空航天、汽车、机械等领域。
它可以测量物体的加速度、振动、冲击等参数，为工程设计和安全控制提供了重要的技术支持。
总之，光纤加速度传感器是一种基于光学原理的高精度传感器，它的工作原理是利用光纤的特性，通过测量光信号的相位差来测量物体的加速度。
它具有高精度、高灵敏度、抗干扰能力强等优点，广泛应用于航空航天、汽车、机械等领域。
光纤传感器的原理
光纤传感器的分类
光纤传感器按工作方式可分点式、准分布式
和分布式三类 。 根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器可 分为功能型、非功能型、拾光型三类。 传感技术的发展经历了三个阶段，即结构型 传感器、物性型传感器和智能型传感器。 按光在光纤中被调制的原理不同，光纤传感 器可分为：强度、相位、偏振态、频率和波 长调制型等。迄今为止，光纤传感器能够测 定的物理量已达七十多种。
相位敏感的光时域反射技术
基于前面的研究成果，相位敏感的光时域反
射分布式光纤传感系统开始实际应用于的地 面入侵探测。 2005年，J．C．Juarez等人采用掺铒光纤结 合法-珀腔构成光纤激光器，输出激光线宽小 于3KHz，可以在12km的光纤上探测出人的 地面入侵情况并能够定位，并用于周界报警 监测，其系统示意如下图所示。
点分布式只能对某一特定点进行传感测量，其余的
光纤作为信号传输介质。 下图为单点式光纤传感系统
准分布式传感系统一般包括光纤传感器阵列和多个
复用光纤传感器等 下图为典型的串联式准分布式光纤传感系统的结构
分布式光纤传感技术中，光纤既是传输介质又是传
感元件 ，如下图
准分布式系统测量精度高、可测量参 数多、信号处理较简单、实时性强； 而分布式系统空间分辨率高、能够实 现空间上连续检测、系统利用率高。
研究发现，当激发光进入光纤中，会产生相
关的光散射。光纤中的光散射主要包括瑞利 散射(Rayleigh Scattering)，喇曼散射 (Raman Scattering)和布里渊散射(Brillouin Scattering)三种类型的光散射。 当外界环境发生变化时，这些散射光的中心 频率或散射强度会随外界相应的参数发生改 变，通过对散射光的检测可以实现对外界环 境相关参数的测量。由于信号光在光纤中任 意处都会产生散射，所以光纤的任意一段都 可以看作是传感单元，通过对散射光的连续 测量，从而实现渊散射的分布式光纤传感 技术
光纤传感器ppt
第12章 光纤传感器
反射式光纤位移传感器
➢ 利用光纤实现无接触位移测量 光源经一束多 股光纤将光信号传送至端部;并照射到被测物体 上 另一束光纤接受反射的光信号;并通过光纤 传送到光敏元件上 被测物体与光纤间 距离变化;反射到 接受光纤上;光通 量发生变化 再通 过光电传感器检测 出距离的变化
温度压力光纤传感器
✓ 中心——纤芯；
✓ 外层——包层；
包层
✓ 护套——尼龙料
性质
✓ 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质;
✓ 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2N1＞N2
第12章 光纤传感器
1光纤的结构和传输原理 ②光纤的传光原理： 光纤的传播基于光的全反射 当光线以不同角 度入射到光纤端面时;在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时;光线
第12章 光纤传感器
2光纤的性能几个重要参数 ③传播损耗A
➢ 光纤在传播时;由于材料的吸收 散射和弯曲 处的辐射损耗影响;不可避免的要有损耗
用衰减率A表示：
A10lg(I1/I2)(dB/Km) l
I1 I2：两接收光纤的光强 在一根衰减率为10dB/Km的光纤中;表示当光纤传输
1Km后;光强下降到入射时的1/10
干涉现象 微小弯曲损失
散射损失
双波长透射率 变化
反射角变化
石英系玻璃 旋转圆盘
石英系玻璃 石英系玻璃 薄膜+膜条 C45H78O2+VL2255N
振子
薄膜
生成着色中心
光纤束成像 多波长传输 非线性光学
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。
光纤传感器的位移特性实验报告
光纤传感器的位移特性实验报告
本文将分析光纤传感器的位移特性实验，介绍器件本身的特性、参数设置、实验方法，测试数据以及实验结果。
光纤传感器是一种新兴的技术，它主要利用光纤的光学特性和检测技术来检测运动物体的物理位移，以及其他物理变化。
它具有小尺寸、低功耗、设备安装方便、非接触式等优点，可用于检测、控制和监视过程中的各种参数，在机器人技术、航空航天技术、发动机控制系统、安全监测、绿色能源等领域中有广泛的应用。
本实验使用的特定型号的光纤传感器器件是由XXX公司生产的，采用高精度表面贴装工艺，结构小巧，反应迅速，适合作为精密机械设备中的传感器使用。
此款器件采用单模光纤非接触式测量，最大位移量可达到±100mm，分辨率为1m以下，误差低于1%。
为了测试光纤传感器的位移特性，设计了一个由钢丝和支架组成的测试装置，将光纤传感器的光路安装在测试装置的两个固定点上，模拟了实际工作环境中的物理位移，测试装置还具有一定的可调性，可以满足不同的测试要求。
根据实验设计，将光纤传感器安装在协调测试装置上，通过实验室校验系统调节设备参数，如增益和温度，以保证测量结果的准确性，将器件设置为双轴平行模式，然后选择不同增益，模拟不同物理位移。
在每组测试中，模拟的位移值为10mm，20mm，30mm，40mm，50mm，60mm，70mm，80mm，90mm，100mm；每组测试都重复进行了三次，以获得有效的测量结果。
根据测量结果，绘制出光纤传感器的位移特性
图，将量测到的位移值与模拟的位移值进行比较，以确定光纤传感器的准确度。
实验结果表明，在测量范围内，光纤传感器的实测位移与模拟位移之间的误差在1μm以内，无论是在纵轴还是横轴方向，测量精度均达到了预期的要求。
光纤传感器的应用举例课件
石油化工领域
光纤传感器用于监测油井和化工厂的温度 、压力等参数，保障生产安全。
生物医疗领域
光纤传感器用于监测生理参数，如血压、 血氧饱和度等，以及在医疗设备中用于定 位和监测病情。
航空航天领域
光纤传感器用于监测飞机和火箭等飞行器 的温度、压力和振动等参数，保证飞行安 全。
CHAPTER
02
光纤传感器在能源领域的应用
油气管道监测
监测油气管道的应变 、温度和压力等参数 ，确保管道安全运行 。
监测管道周围土壤的 位移和沉降，预防管 道因地质灾害而损坏 。
实时监测管道泄漏， 及时报警并采取措施 ，减少环境污染和经 济损失。
石油钻井监测
监测钻井过程中的温度、压力、振动 等参数，优化钻井工艺，提高钻井效 率。
监测钻井液的性能，确保钻井液的循 环和使用效果，提高钻井安全性。
铁路轨道监测
监测铁路轨道的形变、位移和振动，确保列车安 全运行。
实时监测轨道温度，预防因温度变化引起的轨道 热胀冷缩。
检测轨道裂纹和损伤，预防事故发生。
高速公路监测
1
监测高速公路的路面状况，包括裂缝、坑洼和积 水等。
2
实时监测高速公路的交通流量和车速，优化交通 管理。
3
检测路标和指示牌的完整性和清晰度，确保行车 安全。
CHAPTER
05
光纤传感器在医疗领域的应用
医疗诊断
实时监测生理参数
光纤传感器可以实时监测患者的 血压、心率、呼吸等生理参数， 为医生提供准确的数据，有助于
及时诊断病情。
检测生物分子
光纤传感器能够检测生物分子，如 蛋白质、核酸等，用于诊断疾病和 监测治疗效果。
光学成像
光纤传感器结合光学成像技术，能 够实现无创、无痛、无辐射的医学 成像，如内窥镜、光学相干断层扫 描等。