光纖傳感器介紹

1、2022-5-312022-5-32光纖傳感器的發(fā)展光纖傳感器的發(fā)展l20世紀世紀60年代，年代，激光激光使得利用使得利用光的各種屬性（干涉、衍射、偏光的各種屬性（干涉、衍射、偏振、反射、吸收和發(fā)光等）的光振、反射、吸收和發(fā)光等）的光檢測技術(shù)，作為檢測技術(shù)，作為非接觸非接觸、高速度高速度、高精確度高精確度的檢測手段獲得了飛速的檢測手段獲得了飛速的發(fā)展。的發(fā)展。l20世紀世紀70年代，由于年代，由于光纖不但具光纖不但具有良好的傳光特性有良好的傳光特性，而且其本身而且其本身就可用來進行信息傳遞，無需任就可用來進行信息傳遞，無需任何中間媒體就能把測量值與光纖何中間媒體就能把測量值與光纖內(nèi)的光特性變化

2、聯(lián)系起來，內(nèi)的光特性變化聯(lián)系起來，因此因此，在，在20世紀世紀80年代光纖傳感器就年代光纖傳感器就已顯示出廣闊的應(yīng)用前景。已顯示出廣闊的應(yīng)用前景。氙閃光燈聚光器觸發(fā)電極激光束紅寶石棒Al 2O32022-5-33l但是在當時，光纖傳感器真正投入實際應(yīng)用的卻不多，這但是在當時，光纖傳感器真正投入實際應(yīng)用的卻不多，這主要是因為與傳統(tǒng)的傳感技術(shù)相比，光纖傳感器的優(yōu)勢是主要是因為與傳統(tǒng)的傳感技術(shù)相比，光纖傳感器的優(yōu)勢是本身的本身的物性特性物性特性而不是而不是功能特性功能特性。l因此，光纖傳感技術(shù)的重要應(yīng)用之一是利用因此，光纖傳感技術(shù)的重要應(yīng)用之一是利用光纖質(zhì)輕、徑光纖質(zhì)輕、徑細、強抗電磁干擾、抗腐蝕、

3、耐高溫、信號衰減小，集信細、強抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、信號衰減小，集信息傳感與傳輸于一體等特點息傳感與傳輸于一體等特點，解決常規(guī)檢測技術(shù)難以完全，解決常規(guī)檢測技術(shù)難以完全勝任的測量問題。勝任的測量問題。光纖傳感器的發(fā)展光纖傳感器的發(fā)展2022-5-34l20世紀世紀90年代后期，光通信帶動下的光子產(chǎn)業(yè)取年代后期，光通信帶動下的光子產(chǎn)業(yè)取得了巨大的成功，得了巨大的成功，光纖傳感器光纖傳感器呈產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，在呈產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，在國際上形成了許多國際上形成了許多應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域，即，即醫(yī)學和生物、電醫(yī)學和生物、電力工業(yè)、化學和環(huán)境、軍事和職能結(jié)構(gòu)、石油行力工業(yè)、化學和環(huán)境、軍事和職能結(jié)構(gòu)、石油行業(yè)、汽

4、車行業(yè)、船舶、航空航天等領(lǐng)域業(yè)、汽車行業(yè)、船舶、航空航天等領(lǐng)域。光纖傳感器的發(fā)展光纖傳感器的發(fā)展2022-5-35l傳感器傳感器（Sensor，Transducer）是完成信息獲）是完成信息獲取（檢測）、傳輸和轉(zhuǎn)換的器件。取（檢測）、傳輸和轉(zhuǎn)換的器件。光纖傳感器光纖傳感器（Optical Fiber Sensor）則是）則是以光纖作為功能材以光纖作為功能材料料的傳感器。的傳感器。光纖傳感器的發(fā)展光纖傳感器的發(fā)展2022-5-36圖圖a 經(jīng)典測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)典測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖b 光纖測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光纖測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)l經(jīng)典的傳感器完成的經(jīng)典的傳感器完成的是是從非電量到電量從非電量到電量的的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。l

5、光纖傳感器完成的是光纖傳感器完成的是從從非光量到光量非光量到光量的轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換。換。l它們的區(qū)別是，光纖它們的區(qū)別是，光纖傳感器以傳感器以光作感知信光作感知信息的載體息的載體，而不是電，而不是電；用光纖傳送信息用光纖傳送信息，而不是導線。而不是導線。光纖傳感器與經(jīng)典傳感器的區(qū)別光纖傳感器與經(jīng)典傳感器的區(qū)別2022-5-37 光纖傳感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時具有光纖

6、及光學測量的特點。 電絕緣性能好。 抗電磁干擾能力強。 非侵入性。 高靈敏度。 容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。 光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量什么是光纖傳感器？2022-5-38光纖傳感器的基本原理光纖傳感器的基本原理l光纖傳感器的基本原理：光導纖維不僅可以作為光波光纖傳感器的基本原理：光導纖維不僅可以作為光波的傳播介質(zhì)，而且光波在光纖中傳播時的傳播介質(zhì)，而且光波在光纖中傳播時表征光波的特表征光波的特征參量征參量（振幅、相位、偏振態(tài)、波長等）（振幅、相位、偏振態(tài)、波長等）因因外界因素外界因素（如溫度、壓力、磁場、電場、位移、轉(zhuǎn)

7、動等如溫度、壓力、磁場、電場、位移、轉(zhuǎn)動等）的作的作用而間接或直接地發(fā)生變化用而間接或直接地發(fā)生變化，從而可，從而可將光纖用作傳感將光纖用作傳感元件來探測各種物理量元件來探測各種物理量。2022-5-39光纖的基本知識光纖的基本知識l1966年，年，英籍華裔學者高錕英籍華裔學者高錕（Charles K. Kao）發(fā)表）發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文光頻率介質(zhì)纖維表面波光頻率介質(zhì)纖維表面波導導，指出了利用光纖（，指出了利用光纖（Optical Fiber）進行信息傳）進行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，并指明通過輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，并指明通過“原材料提純制造原材料提純制造

8、出適合于長距離通信使用的低損耗光纖出適合于長距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向這一發(fā)展方向，他奠定了現(xiàn)代光通信，他奠定了現(xiàn)代光通信光纖通信的基礎(chǔ)。光纖通信的基礎(chǔ)。2022-5-310光纖的基本知識光纖的基本知識l光纖是一種傳輸光信息的導光纖維，主要由高強度光纖是一種傳輸光信息的導光纖維，主要由高強度石英玻璃石英玻璃、常規(guī)玻璃常規(guī)玻璃和和塑料塑料制成。制成。l 光纖由光纖由纖芯纖芯、包層包層、護套護套組成。組成。l光主要在纖芯中傳輸，光纖的導光能力光主要在纖芯中傳輸，光纖的導光能力主要取決于纖芯和包層的折射率，纖芯的主要取決于纖芯和包層的折射率，纖芯的折射率折射率n1稍大于包層的折射率稍大于

9、包層的折射率n2，典型，典型數(shù)值是數(shù)值是n1=1.461.51，n2=1.441.50.n2n1纖芯纖芯包層包層纖 芯包 層涂敷層護 套2022-5-311光纖的基本知識光纖的基本知識l850nm窗口，典型的衰減值為窗口，典型的衰減值為2dB/km；l1300nm窗口，典型的衰減值為窗口，典型的衰減值為0.4dB/km；l1550nm窗口，具有最低的衰減，典型值為窗口，具有最低的衰減，典型值為0.2dB/km。2022-5-312光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類按功能分按功能分根據(jù)根據(jù)光纖在傳感器中的作用光纖在傳感器中的作用，光纖傳感器分為，光纖傳感器分為功能型功能型、非功能型非功能型和和拾光

10、型拾光型三大類三大類1 1）功能型（全光纖型）光纖傳感器）功能型（全光纖型）光纖傳感器 利用對外界信息具有利用對外界信息具有敏感能力敏感能力和和檢測能力檢測能力的光纖的光纖(或特殊光纖或特殊光纖)作傳作傳感元件，將感元件，將“傳傳”和和“感感”合為一體合為一體的傳感器。的傳感器。 光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變彎曲、相變)的的作用下，其光學特性作用下，其光學特性(光強、相位、偏振態(tài)等光強、相位、偏振態(tài)等)的變化來實現(xiàn)的變化來實現(xiàn)“傳傳”和和“感感”的功能。的功能。 因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長度，可提因

11、此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長度，可提高靈敏度。高靈敏度。信號處理信號處理光受信器光受信器光纖敏感元件光纖敏感元件光發(fā)送器光發(fā)送器2022-5-313光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類2 2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器 光纖僅起導光作用，光纖僅起導光作用，只只“傳傳”不不“感感”，對外界信息的，對外界信息的“感覺感覺”功能功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。 光纖不連續(xù)。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容光纖不連續(xù)。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低

12、，用于對靈敏度要求不太高的場合。易實現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對靈敏度要求不太高的場合。信號處理信號處理光受信器光受信器敏感元件敏感元件光發(fā)送器光發(fā)送器光纖光纖l以多模光導纖維來傳輸以多模光導纖維來傳輸光信號，根據(jù)光接受強光信號，根據(jù)光接受強度不同進行測量，而對度不同進行測量，而對被測參數(shù)起檢測作用的被測參數(shù)起檢測作用的是其他敏感元件。是其他敏感元件。l這種傳感器多用于工業(yè)檢測這種傳感器多用于工業(yè)檢測液位、壓力、形變、溫度、液位、壓力、形變、溫度、流速、電流、磁場等。流速、電流、磁場等。l它的優(yōu)點是性能穩(wěn)定可靠，它的優(yōu)點是性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉.l缺點是靈敏度

13、低。缺點是靈敏度低。3 3）拾光型光纖傳感器）拾光型光纖傳感器 用光纖作為探頭，接收由被測對用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計其典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。、輻射式光纖溫度傳感器等。信號信號處理處理光受光受信器信器光發(fā)送器光發(fā)送器光纖光纖耦合器耦合器被測對象被測對象 傳感型與傳光性光纖傳感器都可傳感型與傳光性光纖傳感器都可再分成再分成光強調(diào)制光強調(diào)制、相位調(diào)制相位調(diào)制、偏振態(tài)偏振態(tài)調(diào)制調(diào)制以及以及波長調(diào)制波長調(diào)制等幾種形式。等幾種形式。2022-5-314光纖傳感技術(shù)的分類光纖

14、傳感技術(shù)的分類按調(diào)制方式分按調(diào)制方式分強度調(diào)制型強度調(diào)制型偏振調(diào)制型偏振調(diào)制型相位調(diào)制型相位調(diào)制型波長調(diào)制型波長調(diào)制型2022-5-315光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類強度調(diào)制型強度調(diào)制型強度調(diào)制型光纖傳感器：強度調(diào)制型光纖傳感器： 是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率折射率、吸收吸收或或反射反射等參數(shù)的變化，而導致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。等參數(shù)的變化，而導致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。 有利用光纖的有利用光纖的微彎損耗微彎損耗；各物質(zhì)的；各物質(zhì)的吸收特性吸收特性；振動膜或液晶的；振動膜或液晶的反反射光強度射光強度的變化；物質(zhì)因各

15、種粒子射線或化學、機械的激勵而發(fā)光的的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學、機械的激勵而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來構(gòu)成壓力、振動、溫度現(xiàn)象；以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來構(gòu)成壓力、振動、溫度、位移、氣體等各種強度調(diào)制型光纖傳感器。、位移、氣體等各種強度調(diào)制型光纖傳感器。優(yōu)點優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)，成本低。：結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)，成本低。缺點缺點：受光源強度波動和連接器：受光源強度波動和連接器損耗變化等影響較大損耗變化等影響較大2022-5-316類型方 式主要應(yīng)用強度調(diào)制安裝斬波器、光開關(guān)、調(diào)制輻射式溫度傳感器安裝光楔、光柵、動閘位移、壓力、流量傳感器發(fā)光或受光纖自調(diào)制振動、

16、頻率、重量傳感器反射式強度調(diào)制微位移、液位傳感器光纖微彎擾式模式調(diào)制壓力傳感器液體折射率變化進行調(diào)制濃度、折射率傳感器光纖吸收特性進行調(diào)制x、 射線傳感器比較光纖出射模斑的強度調(diào)制流量傳感器利用數(shù)字編碼技術(shù)進行強度調(diào)制轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)速傳感器利用電壓式表面聲波衍射進行強度調(diào)制光開關(guān)光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類強度調(diào)制型強度調(diào)制型2022-5-317光強度調(diào)制型光纖傳感器光強度調(diào)制型光纖傳感器光纖壓力傳感器光纖壓力傳感器l在壓力作用下光纖產(chǎn)生微彎在壓力作用下光纖產(chǎn)生微彎變形導致光強度變化，從而變形導致光強度變化，從而引起光纖傳輸損耗的改變，引起光纖傳輸損耗的改變，并由吸收、發(fā)射或折射率變并由吸收、發(fā)

17、射或折射率變化來調(diào)制發(fā)射光，可制成微化來調(diào)制發(fā)射光，可制成微彎效應(yīng)的光纖壓力傳感器彎效應(yīng)的光纖壓力傳感器 。l由于齒板的作用，在沿光纖光軸的垂直方向上加有由于齒板的作用，在沿光纖光軸的垂直方向上加有壓力時，光纖產(chǎn)生微彎變形，光波導方式改變，傳壓力時，光纖產(chǎn)生微彎變形，光波導方式改變，傳輸損耗增加。輸損耗增加。l這種傳感器具有較高的靈敏度。這種傳感器具有較高的靈敏度。 2022-5-318光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類偏振調(diào)制型偏振調(diào)制型偏振調(diào)制型光纖傳感器：偏振調(diào)制型光纖傳感器： 是一種是一種利用光偏振態(tài)變化利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測對象信息的傳感器。來傳遞被測對象信息的傳感器。 有利用光在

18、磁場中媒質(zhì)內(nèi)傳播的有利用光在磁場中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng)做成的電流、磁場傳做成的電流、磁場傳感器；利用光在電場中的壓電晶體內(nèi)傳播的感器；利用光在電場中的壓電晶體內(nèi)傳播的普克爾效應(yīng)普克爾效應(yīng)做成的電場、做成的電場、電壓傳感器；利用物質(zhì)的電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動或聲傳感器；以構(gòu)成的壓力、振動或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動等傳感器。及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動等傳感器。優(yōu)點優(yōu)點：這類傳感器可以避免光源強度變化的影啊，因此靈敏度高。：這類傳感器可以避免光源強度變化的影啊，因此靈敏度高。類型方 式主要應(yīng)用偏振態(tài)調(diào)制Faraday

19、效應(yīng)（磁光效應(yīng)）電流、電壓、磁場傳感器克爾電光效應(yīng)光電效應(yīng)2022-5-319l 在干涉和衍射里，光波的振動是以在干涉和衍射里，光波的振動是以標量標量形式來處理的，即未考慮振動形式來處理的，即未考慮振動的方向，只研究光振動的大小和強度分布。而研究光的偏振現(xiàn)象，光波的方向，只研究光振動的大小和強度分布。而研究光的偏振現(xiàn)象，光波必須用必須用矢量矢量來描述。來描述。 l 光除了有干涉和衍射現(xiàn)象外還有偏振現(xiàn)象光除了有干涉和衍射現(xiàn)象外還有偏振現(xiàn)象電磁波的振動方式電磁波的振動方式 l Maxwell Maxwell電磁波理論和實驗表明，光波是電磁波理論和實驗表明，光波是橫波橫波。光的偏振現(xiàn)象光的偏振現(xiàn)象2

20、022-5-320法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng) 許多物質(zhì)在磁場的作用下可以使穿過它的平面偏振光的偏許多物質(zhì)在磁場的作用下可以使穿過它的平面偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為振方向旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為磁致旋光效應(yīng)磁致旋光效應(yīng)或或法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng)。播傳方向振動面線偏振光線偏振光21偏振調(diào)制型光纖傳感器偏振調(diào)制型光纖傳感器 光纖電流傳感器光纖電流傳感器l單模光導纖維的偏振特性極易單模光導纖維的偏振特性極易受到外界各種物理量的影響，受到外界各種物理量的影響，如在高電場下的克爾效應(yīng)和在如在高電場下的克爾效應(yīng)和在強磁場下的法拉第效應(yīng)，利用強磁場下的法拉第效應(yīng)，利用這一原理可制成大電流、高電這一原理可制成大電流、

21、高電壓測試傳感器壓測試傳感器。（1）容易安裝，不用斷開導線，僅將細長、柔軟的絕緣光纖卷繞在導體）容易安裝，不用斷開導線，僅將細長、柔軟的絕緣光纖卷繞在導體上就可檢測電流，能實現(xiàn)整個傳感裝置的小與輕量化；上就可檢測電流，能實現(xiàn)整個傳感裝置的小與輕量化；（2）無電磁噪音的干擾。）無電磁噪音的干擾。 （3）計測范圍廣，沒有鐵心磁飽和的制約，同時，法拉第效應(yīng)的響應(yīng)速）計測范圍廣，沒有鐵心磁飽和的制約，同時，法拉第效應(yīng)的響應(yīng)速度快，具有從低頻到高頻、到大電流的廣闊測量范闈；度快，具有從低頻到高頻、到大電流的廣闊測量范闈；（4）因為信號通過光纖傳輸。波形畸變小。傳輸損耗小，故可實現(xiàn)長距）因為信號通過光纖傳

22、輸。波形畸變小。傳輸損耗小，故可實現(xiàn)長距離的信號傳輸。離的信號傳輸。2022-5-322類型方 式主要應(yīng)用相位調(diào)制Sagnac光纖干涉儀微位移、粗糙度測量F-P光纖干涉儀光潔度、加速度、速度測量Michelson光纖干涉儀角度等傳感器光纖傳感器的分類相位調(diào)制型相位調(diào)制型光纖傳感器：相位調(diào)制型光纖傳感器： 是利用被測對象對敏感元件的作用，是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條常數(shù)發(fā)生變化，而導致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，紋發(fā)生變化，通過通過檢測干涉條紋的變化量檢測干涉條

23、紋的變化量來確定光的相位變化量，從來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。而得到被測對象的信息。 通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用應(yīng)的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（光纖賽格納克（Sagnac）效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等。優(yōu)點：優(yōu)點：這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，因此成本高。系統(tǒng)，因此

24、成本高。2022-5-323相位調(diào)制型光纖傳感器相位調(diào)制型光纖傳感器 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器l用單模光導纖維構(gòu)成干涉儀用單模光導纖維構(gòu)成干涉儀，外界各種物理量的影響因，外界各種物理量的影響因素能導致光導纖維中光程的素能導致光導纖維中光程的變化，從而引起干涉條紋的變化，從而引起干涉條紋的變動變動 。l這種傳感器的這種傳感器的優(yōu)點優(yōu)點是有極高的靈敏是有極高的靈敏度，主要用于光纖陀螺、光纖水聽度，主要用于光纖陀螺、光纖水聽器、動態(tài)壓力和應(yīng)變測量、機械振器、動態(tài)壓力和應(yīng)變測量、機械振動測量等方面動測量等方面 。l激光器的點光源光束擴散激光器的點光源光束擴散為平行波，經(jīng)分光器分為為平行波，經(jīng)分光器

25、分為兩路，一為基準光路，另兩路，一為基準光路，另一為測量光路。外界溫度一為測量光路。外界溫度（或壓力、振動等）引起（或壓力、振動等）引起光纖長度的變化和相位的光纖長度的變化和相位的光相位變化，從而產(chǎn)生不光相位變化，從而產(chǎn)生不同數(shù)量的干涉條紋，對它同數(shù)量的干涉條紋，對它的模向移動進行計數(shù)，就的模向移動進行計數(shù)，就可測量溫度或壓力等?？蓽y量溫度或壓力等。2022-5-324類型方 式主要應(yīng)用波長調(diào)制利用熱色物質(zhì)的顏色變化進行波長調(diào)制pH值測量、溫度測量利用熒光光譜變化進行波長調(diào)制溫度測量利用黑體輻射進行波長調(diào)制溫度測量利用濾光器參數(shù)變化進行波長調(diào)制氣體濃度傳感器利用棱鏡光柵進行波長調(diào)制位移分色計利

26、用被測物自身吸收特性進行波長調(diào)制氣體成分傳感器光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類波長調(diào)制型波長調(diào)制型 波長調(diào)制光纖傳感器波長調(diào)制光纖傳感器主要是利用傳感探頭的光頻譜特性隨外界物理量主要是利用傳感探頭的光頻譜特性隨外界物理量變化的性質(zhì)來實現(xiàn)的。此類傳感器多為非功能型傳感器。變化的性質(zhì)來實現(xiàn)的。此類傳感器多為非功能型傳感器。2022-5-325光纖傳感技術(shù)的分類光纖傳感技術(shù)的分類按光學現(xiàn)象分按光學現(xiàn)象分干涉型干涉型非干涉型非干涉型分布式傳感器分布式傳感器Bragg傳感器傳感器2022-5-326類型被測量光學現(xiàn)象檢測對象光纖類型干涉型Michelson干涉儀速度、振動、位移多普勒效應(yīng)頻率多模梯度光纖

27、振動、位移多次反射干涉單模光纖溫度熱膨脹相位Mach-Zehnder干涉儀聲壓聲光效應(yīng)相位（干涉）單模光纖變形、振動、加速度光彈性效應(yīng)溫度熱膨脹電流、磁場磁致伸縮效應(yīng)電流熱膨脹電壓電致伸縮效應(yīng)位移、應(yīng)變多次反射Sagnac干涉儀旋轉(zhuǎn)速度Sagnac效應(yīng)相位（干涉）保偏光纖電流、磁場Faraday效應(yīng)光纖傳感技術(shù)的分類光纖傳感技術(shù)的分類2022-5-327類型被測量光學現(xiàn)象檢測對象光纖類型非干涉型電壓電光效應(yīng)偏振單模光纖電流、磁場Faraday效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)壓力、變形微彎曲損耗傳輸損耗多模光纖溫度Plank定律輻射量大芯徑光纖位移三角反射光強多模光纖濃度折射率調(diào)制折射率多模光纖分布式傳感器溫度

28、、壓力、位移、濃度、含水率吸收、散射時間頻率單模光纖多模光纖保偏光纖Bragg傳感器溫度、應(yīng)力調(diào)諧波長反射機理干涉光柵摻雜光纖光纖傳感技術(shù)的分類光纖傳感技術(shù)的分類2022-5-328分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用2022-5-329分布式光纖傳感技術(shù)用于航空領(lǐng)域的多參量監(jiān)測分布式光纖傳感技術(shù)用于航空領(lǐng)域的多參量監(jiān)測太空飛船X-38的再入式實驗飛行器（NASA圖片）傳感器布測區(qū)域a.分布式溫度傳感方案b.分布式應(yīng)力傳感方案輸出信號沿光纖傳輸光的背向散射分量光纖溫度傳感元平面溫度場分布輸入信號埋入光纖應(yīng)力傳感元輸入信號輸出信號光纖監(jiān)測網(wǎng)損傷探測2022-5-330l靈敏度高靈敏度

29、高原因：原因：光測量以光波長為計量單位光測量以光波長為計量單位。利用長光纖。利用長光纖和光波干涉技術(shù)使不少光纖傳感器的靈敏度優(yōu)和光波干涉技術(shù)使不少光纖傳感器的靈敏度優(yōu)于一般的傳感器。例如，相位變化于一般的傳感器。例如，相位變化10-6rad用用現(xiàn)代手段可以檢測到，則它對應(yīng)的被測量位移現(xiàn)代手段可以檢測到，則它對應(yīng)的被測量位移的大小是（的大小是（10-310-4)nm。光纖傳感器的優(yōu)點光纖傳感器的優(yōu)點2022-5-331l抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕，本質(zhì)安全抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕，本質(zhì)安全理由：光纖傳感器是利用光波傳輸信息，光纖的理由：光纖傳感器是利用光波傳輸信息，光纖的主要材質(zhì)是主要材質(zhì)是S

30、iO2， 是電絕緣、耐腐蝕的傳輸是電絕緣、耐腐蝕的傳輸介質(zhì)，因而不怕強電磁干擾，也不影響外界的介質(zhì)，因而不怕強電磁干擾，也不影響外界的電磁場，并且安全可靠。這使它在大型機電、電磁場，并且安全可靠。這使它在大型機電、石油化工、冶金高壓、強電磁干擾、易燃、易石油化工、冶金高壓、強電磁干擾、易燃、易爆、強腐蝕環(huán)境中能方便而有效地傳感。爆、強腐蝕環(huán)境中能方便而有效地傳感。光纖傳感器的優(yōu)點光纖傳感器的優(yōu)點2022-5-332l重量輕、體積小，外形可變重量輕、體積小，外形可變原因：光纖除具有重量輕、體積小的特點外，還有可撓的原因：光纖除具有重量輕、體積小的特點外，還有可撓的優(yōu)點，因此利用光纖可制成外形各異

31、、尺寸不同的各優(yōu)點，因此利用光纖可制成外形各異、尺寸不同的各種光纖傳感器。這有利于航空、航天以及狹窄空間的種光纖傳感器。這有利于航空、航天以及狹窄空間的應(yīng)用。應(yīng)用。 目前已有性能不同的測量溫度、壓力、位移、速目前已有性能不同的測量溫度、壓力、位移、速度、加速度、液面、流量、振動、水聲、電流、電場度、加速度、液面、流量、振動、水聲、電流、電場、磁場、電壓、雜質(zhì)含量、液體濃度、核輻射等各種、磁場、電壓、雜質(zhì)含量、液體濃度、核輻射等各種物理量、化學量的光纖傳感器在現(xiàn)場實用。物理量、化學量的光纖傳感器在現(xiàn)場實用。l測量對象廣泛測量對象廣泛光纖傳感器的優(yōu)點光纖傳感器的優(yōu)點2022-5-333l對被測介質(zhì)

32、影響小對被測介質(zhì)影響小這對于醫(yī)藥生物領(lǐng)域的應(yīng)用極為有利這對于醫(yī)藥生物領(lǐng)域的應(yīng)用極為有利。 有利于與現(xiàn)有光通信技術(shù)組成遙測網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。有利于與現(xiàn)有光通信技術(shù)組成遙測網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。l便于復用，便于成網(wǎng)便于復用，便于成網(wǎng)l成本低成本低有些種類的光纖傳感器的成本將大大低于現(xiàn)有同類傳感器有些種類的光纖傳感器的成本將大大低于現(xiàn)有同類傳感器。光纖傳感器的優(yōu)點光纖傳感器的優(yōu)點2022-5-334為何選擇相位調(diào)制的干涉型光纖傳感器？為何選擇相位調(diào)制的干涉型光纖傳感器？ 在這眾多的調(diào)制方法中，選擇介紹在這眾多的調(diào)制方法中，選擇介紹相位調(diào)制相位調(diào)制，即干涉型的光纖傳感器，主，即干涉型的光纖傳感器，主要是因

33、為這種測量具有要是因為這種測量具有極高的靈敏度和極高的靈敏度和很高的精度很高的精度。2022-5-335P從歷史上看，光干涉儀廣泛應(yīng)用于高分辨的從歷史上看，光干涉儀廣泛應(yīng)用于高分辨的實驗室測量裝置。但是，實驗室測量裝置。但是，一般的光干涉儀是一般的光干涉儀是以自由空間作光路以自由空間作光路，因此造成以下缺點而限，因此造成以下缺點而限制了它的應(yīng)用：制了它的應(yīng)用：干涉儀體積大，易受空氣、干涉儀體積大，易受空氣、環(huán)境、溫度、聲波與振動的影響，使測量不環(huán)境、溫度、聲波與振動的影響，使測量不穩(wěn)定，準確度低，調(diào)整也較困難。穩(wěn)定，準確度低，調(diào)整也較困難。干涉型光纖傳感器的介紹干涉型光纖傳感器的介紹一般光干涉

34、儀的缺點一般光干涉儀的缺點2022-5-336干涉型光纖傳感器的介紹干涉型光纖傳感器的介紹P干涉型光纖傳感器干涉型光纖傳感器以光纖作光路以光纖作光路，減少了干涉儀，減少了干涉儀器的長臂安裝和校準的困難，容易實現(xiàn)小型化，器的長臂安裝和校準的困難，容易實現(xiàn)小型化，并且易于用中長光纖的方法使干涉光路對環(huán)境參并且易于用中長光纖的方法使干涉光路對環(huán)境參數(shù)的響應(yīng)靈敏度增加。數(shù)的響應(yīng)靈敏度增加。P其結(jié)果其結(jié)果使傳統(tǒng)的光學干涉儀從實驗室走出來，成使傳統(tǒng)的光學干涉儀從實驗室走出來，成為有高機械強度和精密靈活的生產(chǎn)現(xiàn)場實用的儀為有高機械強度和精密靈活的生產(chǎn)現(xiàn)場實用的儀表表。P因此因此相位調(diào)制相位調(diào)制是光纖傳感器中

35、是光纖傳感器中最基本最基本的傳感技術(shù)，的傳感技術(shù)，最靈敏最靈敏，要求也較高要求也較高，可測量的最小相位變化為，可測量的最小相位變化為10-7rad。2022-5-337干涉型光纖傳感器的介紹干涉型光纖傳感器的介紹l舉例舉例對于真空中的光波長對于真空中的光波長0 =0.83m的光波，的光波，光程差：光程差：m101.3m1021083. 0214-7600Lnl這相當于這相當于一個原子核的大小一個原子核的大小。可見，高精度的長度?？梢?，高精度的長度檢測要用檢測要用相位調(diào)制相位調(diào)制。2022-5-338l有很高的檢測靈敏度有很高的檢測靈敏度例如：可對溫度為例如：可對溫度為10-6rad/(mC)、

36、壓力為、壓力為10rad/(mPa)、應(yīng)變?yōu)?、?yīng)變?yōu)?0-7、軸向為、軸向為11.4rad/(m)進行檢測。進行檢測。 如果檢測系統(tǒng)可以檢測如果檢測系統(tǒng)可以檢測 rad (一般是這個數(shù)量級一般是這個數(shù)量級)的相位移，則的相位移，則每米光纖的檢測靈敏度每米光纖的檢測靈敏度可達到對溫度為可達到對溫度為10-8 C、對壓力為、對壓力為10-7Pa、對應(yīng)變?yōu)?、對?yīng)變?yōu)?0-7。干涉型光纖傳感器的特點干涉型光纖傳感器的特點l動態(tài)測量范圍大，可達動態(tài)測量范圍大，可達1010。l探頭形式多樣，適用于不同的測試環(huán)境，探頭形式多樣，適用于不同的測試環(huán)境，相應(yīng)速度也快。相應(yīng)速度也快。相位調(diào)制一般與干涉測量技術(shù)并用

37、相位調(diào)制一般與干涉測量技術(shù)并用。2022-5-339相位調(diào)制干涉型光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)相位調(diào)制干涉型光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)采用極長的傳感光纖，用以提高儀器的靈敏度采用極長的傳感光纖，用以提高儀器的靈敏度。2022-5-340l利用利用外界因素引起的光纖中光波相位變化外界因素引起的光纖中光波相位變化來探測來探測各種物理量的傳感器，稱為各種物理量的傳感器，稱為相位調(diào)制傳感型相位調(diào)制傳感型光纖光纖傳感器。傳感器。l相位調(diào)制光纖傳感器相位調(diào)制光纖傳感器主要通過被測能量場的作用主要通過被測能量場的作用使光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再使光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再利用干涉利用干涉測量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強變化測量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強變化，從而檢測，從而檢測出待測的物理量。出待測的物理量。l光纖中光波的相位由光纖波導的光纖中光波的相位由光纖波導的物理長度物理長度、折