第1章：光纤传感中的光学原理及效应
光学反射原理
分为镜面反射和漫反射
镜面反射和漫反射情况
基于反射原理的光纤传感器结构简单、工作可靠、成本低廉。主要应用于位移测量，振动测量，压力测量，浓度测量和液位测量。
光学折射原理
光学吸收原理
选择吸收：介质对某些波长的光的吸收特别显著 郎伯比尔(Lambert-Beer)定律：
Lambert-Beer 定律是吸收光度法的基本定律，表示物质对某一单色光吸收的强弱与吸光物质浓度和厚度间的关系。
当气体浓度、光程均很小的时候，可以近似为：
光学多普勒效应
θ
cos
11f f 02
20
0c
u
c u -=
雷达测速仪
检查机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普勒效应。交通警向行进中的车辆发射频率已知的电磁波，通常是红外线，同时测量反射波的频率，根据
反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度．装有多普勒测速仪的警车有时就停在公路旁，在测速的同时把车辆牌号拍摄下来，并把测得的速度自动打印在照片上。 声光效应
超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空间作周期性变化，使介质出现疏密相间的现象，如同一个相位光栅 。当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射现象，这种现象称之为声光效应。
利用声光衍射效应制成的器件，称为声光器件。声光器件能快速有效地控制激光束的强度、方向和频率，还可把电信号实时转换 为光信号。此外，声光衍射还是探测材料声学性质的主要手段。
主要用途有：制作声光调制器件，制作声光偏转器件，声光调Q 开关，可调谐滤光器，在光信号处理和集成光通讯方面的应用。
磁光效应
具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下，电磁特性发生变化，因而使得光波在其内部传输特性也发生变化的现象。
A 、法拉第效应：当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时，其偏振面发生旋转的现象，对于给定的介质，偏振面旋转角度=介质长度×磁场强度×维厄德系数
B 、磁光克尔效应：指一束线偏振光在磁化了的介质表面反射时，反射光将是椭圆偏振光，而且以椭圆的长轴为标志的“偏振面”相对于入射偏振光的偏振面旋转了一定的角度。 分类：
①极化克尔效应，即磁化强度M 与介质表面垂直时的克尔效应，应用于磁光存储技术中 ②横向克尔效应：M 既平行于介质表面，但垂直于光的入射面 ③纵向克尔效应：M 既平行于介质表面，又平行于光的入射面
C 、磁致线双折射效应：某些由各向异性分子组成的介质，在不加磁场时表现为各向同性，加上足够强的外磁场时，分子磁矩受到了力的作用，各分子对外磁场有了一定的取向，使介质宏观上呈现各向异性，当光以不同于磁场方向通过这样的介质时，就会出现双折射现象。
电光效应
电光效应：指某些晶体的折射率因外加电场而发生变化的一种效应，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变。
+++=20bE aE n n （6-3）
在上式中，
aE 是一次项，由该项引起的折射率变化，称为线性电光效应或泡克耳斯（Pockels ）效
应；bE 2
是二次项，由该项引起的折射率变化，称为二次电光效应或克尔（Kerr ）效应。
对于大多数晶体，一次电光效应要比二次效应显著，可略去二次项。 但是在具有对称中心的晶体中，不存在一次电光产效应。 电光效应已被广泛用来实现对光波的控制，并做成光调制器、光偏转器和电光滤波器件等。
弹光效应
由机械应力引起的材料折射率变化的现象称为弹光效应（Elasto-Optical Effect ）。由于沿应力方向发生折射率变化，原来同性材料也可变成各向异性，即折射率椭球发生变化，而呈现双折射。因此，对弹光物质通光和施加应力时，由于应力和与应力垂直的方向上产生位相差，故可以利用这种效应制作位移、振动和压力等光学传感器。
光声效应
激光光束照射到固体表面或气体和液体中，会与被照射物质相互作用产生一定强度和频率的声波，这就是光声效应。光声效应作为固体物质表面检测和物质成分含量分析的有效手段，已经广泛应用于物理、化学、医学、海洋、环境和材料等研究领域，有着广阔的发展前景。同样，光声效应也可以应用于气体和液体的成分含量的检测。
第2章：光纤传感原理及应用技术
相位调制型光纤传感器技术
相位调制型光纤传感器的基本传感机理是：通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再利用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。光纤中光波的相位，一方面由光纤的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定。一般来说，应力、应变、温度等外界物理量能直接改变上述三个波导参数，从而产生相位变化，实现光波的相位调制。另一方面也可以由Sagnac 效应产生。
光相干条件
两列光波叠加在一起能产生干涉现象，但并非任意两列光波相遇都能产生干涉现象。 必要条件：频率相同的两光波在相遇点有相同的振动方向和固定的相位差。 补充条件：A-两光波在相遇点所产生的振动的振幅相差不悬殊。 B-两束光波在相遇点的光程差不能太大。 四种常见的光纤干涉仪
到达探测器的两束光的光场分别为：
()[]s s s s t j E t e ?ω+=ex p
()[]L L L L t j E t e ?ω+=ex p
总光场为：[][]L L L s s s t j E t j E E ?ω?ω+++=ex p ex p 总光强为：
()()[]()()[]()()[]
()[]
?ωω?ω?ω?ω?ω?ω?ω?+-++=+++*+++=+++=*
t I I I I t j E t j E t j E t j E t j E t j E I S L L S L S L L L s s s L L L s s s L L L s s s cos 2exp exp exp exp exp exp 2
其中，S L ???-=?
根据相干条件，S L ωω=，则有
[]??++=cos 2L S L S I I I I I
如果不L S I I =
()??+=cos 12S I I
马赫曾德（Mach Zehnder ）光纤干涉仪
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；
LD
光探测器
LD
（3）封闭式的光路，不受外界干扰； （4）测量的动态范围大。
萨格纳克（Sagnac ）光纤干涉仪
光在运动介质中的速度
上式中， V 是介质运动速度。
若光从A 点进入，分成CW 和CCW 两路光信号，当光纤环静止时，CW 和CCW 信号同时到达A 点，当光纤环按图中方向转动时，两路光信号在B 点相遇。此时
Ω??
? ??-+Ω+=
r n n c t r r t CW
CW 2112π
LD
S(t )
V n n c v ??
?
???-+=211
Ω??
? ??--Ω-=
r n n c t r r t CCW
CCW 2112π
由上两式得到
2
2n r n c r
t CW Ω-=
π
2
2n r n c r
t CCW Ω+=
π
所以顺时针和逆时针的时间差为
2
2
2222n
r c r r t t t CCW CW Ω-Ω
?=
-=?π 由于2222
n r c Ω>>，所以2
24c r t Ω
≈?π
位相差为：
λππω?c c
r Ω
=Ω≈?S 842
2 对于N 匝光纤，则相位差为
λ
π?c Ω=
?S 8N 第三部分：光纤光栅传感技术
自从加拿大通信研究中心的Hill 等人在1978年首次利用驻波法在掺锗光纤中研制出世界上第一支永久性的实现反向模式间耦合的光纤光栅——光纤布喇格光栅以来，对其研究与应用得到了很大的发展。
1993年，Hill 等人提出了用紫外光垂直照射相位掩模形成的衍射条纹曝光氢载光纤写入光纤布喇格光栅的相位掩模法，使得光纤光栅真正走向实用化和产品化。
1998年，美国东哈特福德联合技术研究中心的Meltz 等人提出了用两束相干的紫外光形成的干涉条纹侧面曝光氢载光纤写入光纤布喇格光栅的横向全息成栅技术，相对于内部写入法，该方法又称为外侧写入法。
光纤光栅的分类
光纤光栅主要可以从光纤光栅的周期、相位和写入方法等几个方面对光纤光栅进行分类。
1．按光纤光栅的周期分类通常把周期小于1 μm 的光纤光栅称为短周期光纤光栅，而把周期为几十至几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅。前者的反射谱和后者的透射谱分别为如5-1（a ）和5-1（b ）所示。
2. 按波导结构
（a ）均匀光纤光栅 （b ）啁啾光纤光栅
（c ）高斯变迹光纤光栅 （d ）升余弦变迹光纤光栅
（e ）相移光纤光栅 （f ）超结构光纤光栅
光纤布拉格光栅的反射谱。
折射率分布为：
?
??
?
??
????
??+Λ+=)(2cos )(z z v m n z n eff eff φπδδ 耦合模方程
??????
?--=+=+---++)()(?)()()(?)
(*z a ik z a i dz
z da z ika z a i dz
z da σσ 其中，dz d φ
σδσ
21?-+=，???? ?
?-=-=Λ-=B eff B n λλπββπβδ112为失调参数。 σ,k 分别为互耦合和自耦合系数，对于单模式布拉格光栅光纤，有
λδπσ)(2z n m eff =，λδπ)(*z n mv k k eff ==。
利用耦合模方程，可求得布拉格光栅的反射谱，进而求得其它特性，但不幸
的是，只有均匀光栅可求得精确解，对于非均匀光纤光栅，因为耦合模系数与z 有关，不再是常量，得不到精确解，而只能采用一些数学方法来近似求数值解，
尽管如此，均匀光纤光栅对了解非均匀光纤光栅的特性仍然是有很大的帮助。
对于均匀光栅，)(z n eff δ与z 无关，是常数，因此，由耦合模方程和边界条件1)2(=-+L a ，0)2(=-L a ，可求得反射系数，L 是光纤光栅的长度。
反射效率
2
2
222222?)?(cosh )?(sinh k L k L k R σ
σ
σ---=
在0?=σ
时，有最大反射功率，此时 )(tanh 2max kL R =
对应的波长值为：
B eff eff
n n m λδλ???
?
??+=1max
Λ=eff B n 2λ是设计的布拉格波长。 主瓣两零点之间的波长间隔为：
N
L
n eff B
20
=
≈
?λλ
λ 光纤光栅传感原理
Λ=eff B n 2λ
()[]()[][]???
?
???++???
???+-???? ??-Λ=???
??? ?
??????????????
++?
?????
+-????
??-Λ=?T a P P P n n T n dT dn a P P P n n B ξευευλ12111221211122
212212
T
??Λ
?
Λ=1α热膨胀系数 T
n eff ??=
ξ热光系数
Bragg 波长的变化与温度之间的变化有良好的线性关系，光栅的温度灵敏度为
B B T T K λαξλ?+=??=)(/
一般α=×10-7K -1；ξ=×10-6K -1，如果光纤光栅的Bragg 波长为l550nm ，计算光纤
光栅的温度灵敏度
光纤光栅的温度灵敏度为℃，一般取℃ 。
ελλ78.0=?B
B
光纤光栅的应变灵敏度为 下面分析用MZI 作光纤光栅传感解调的灵敏度。
()??+=cos 12S I I ????=d I dI S sin 2
λλπ
?Ld d ?=
?2
2
λλ
π
?
Ld I dI S ??=2
2sin 2
当2π
?=
?时，最灵敏。此时，S I I 2=。
λλπ
Ld I dI S
?=2
22
λλ
π
Ld I dI S ?=222 设系统的信噪比为60dB ，则最小可探测器强度变化为
001.0SNR
1
2==S I dI 设mm L 1=?，nm 1550=λ，pm d 01=λ（对应裸光栅温度测量精度1度），
02-8784427e 2.615269632=S
I dI
，可以检测到。若温度测量精度提高到度，则03-8784427e 2.615269632=S
I dI
，仍然可以检测。 如果0=??，则S I I 4=，当pm d 01=λ时，λλ
π
?Ld d ?=
?2
2，λλ
π
?Ld ?+
=?2
20，
此时77272991.999658032?=S I I ，所以
04-3502789e 1.709811364=S
I dI
。因为信号能量提高了2倍，这样信噪比提高3dB ，因此有最小探测强度变化为：
04-1865475e 7.07106781SNR
1
4==S I dI 。能检测否 设光纤光栅反射带宽，则相干长度等于12cm.
非平衡MZI 最大的缺点是因为两个臂长度不相等，所以两个臂受到外部环境因素的影响不相同，从而导致性能不稳定。
慢光效应对M-Z 干涉仪的影响
设信号从端口1输入，从端口4输出。则两个臂的位相差为：
()()[]()[]L n n L n n c
-=-=
?ωλ
πωω
ω?2
所以，
()()()n n c
L
d dn n n c L d d g -=???
???+-=?ωωωω?
()22λ
πλωω?λ?c n n c L d d d d d d g -=?=? 慢光效应能增大群折射率g n ，因此，慢光效应将极大增加干涉仪的灵敏度。如果采用慢光效应更大的材料，干涉仪的灵敏度将增大更多。
第四部分：光纤气体传感技术
在气体传感中，所气体吸收的郎伯比尔(Lambert-Beer)定律：
I
其中： C :气体浓度；L ：气体吸收光程； λ：气体吸收系数。
光路损耗系数。
仅用上式很难测准气体的浓度，为什么。
为了低消光源功率波动和系统固有的噪声，要采用谐波检测。在二次谐波法中，设待测信号为：()()t n t ++αωsin A ，问，如何检测有用信号A 并写出分析过程。
两种方法：
3dB
耦合器 3 输入 1
输出 慢光介质 3dB 耦合器 L
第五部分：分布式光纤传感技术
空间分辨率取决于光脉冲的宽度，设光脉冲宽度为p τ?，则空间分辨率为：
n
c z p 2τδ?=
其中，c 为光速，n 为光纤的有效折射率。
实验五 反射式光纤位移传感器 一、实验目的 了解反射式光纤位移传感器的结构，学习和掌握最简单、最基本的光纤位移传感器的原理和应用。 二、基本原理 反射强度调制式光纤传感器具有准确、结构简单、价格低廉等优点，广泛应用于各种位移、压力和温度传感器中。反射式光纤位移传感器的基本结构如图5-1所示，其中发射光纤通常由一根光纤构成，接收光纤有时候由单根光纤构成，而有些时候为了提高光的接收效率也经常由多根光纤构成。本实验采用的传光型光纤，它是由两根光纤的一端熔合后组成的Y 型光纤，一根作为发射光纤，端部与光源相接发射光束；另一根作为接收光纤，端部与光电转换器相接接收反射光。两根光纤熔合后的端部是工作端也称传感探头，截面为半圆分布即D 型结构。由光源发出的光传到端部出射后再经被测体反射回来，由另一束光纤接收光信号经光电转换器转换成电压信号。 图5-1 反射式光纤位移传感器示意图 传光型光纤反射式位移传感器的发射调制方法，可用等效分析法来分析。首先，画出接收光纤关于反射体的镜像，然后计算出该镜像接收光纤在发射光纤纤端光场中所接收到的光强值，最后将该光强值乘以反射体的反射率R ，作为传感器的最后输出光强。如图5-2中的a 图所示。 接收光纤的镜像坐标即它的等效坐标位置为F （2z ，d ），这里z 为发射接收光纤的端面与反射体之间的距离，d 为发射光纤轴心到接收光纤轴心之间的距离，由此可以获得接收光纤接收到的光强为： ]] )/(1[exp[])/(1[)(2 2/30202222/3020c c tg a z a d tg a z RI z I θζσθζσ+-?+= 其中，0I 为光源的光强，σ为表征光纤折射率分布的相关参数，对于阶跃折射率光纤，它的值为1，0a 为光纤的纤芯半径，ζ为光源种类及光源与光纤耦合情况有关的调制参数， c θ为发射光纤的最大出射角。此函数的曲线形状如图5-2中的b 图所示。 reflector
国内外光纤传感器的发展现状 2011-6-29 8:25:44 讯石光通讯咨询网作者：iccsz 摘要:本文将分析光纤传感器国内外发展的现状。主要介绍了两方面的情况：光纤传感器原理性研究的发展现状和光纤传感器产品的应用与开发的现状。 本文将分析光纤传感器国内外发展的现状。主要介绍了两方面的情况：光纤传感器原理性研究的发展现状和光纤传感器产品的应用与开发的现状。前者报道了光纤光栅、分布式光纤传感技术以及光纤传感网的发展，这些是目前的研究热点；后者介绍了光层析成像技术、智能材料、光纤陀螺及惯性导航系统、工业工程类传感器（其中包括电力工业用高电压、大电流传感器，利用光纤的弹光效应和FBG器件的应力传感器等）。最后介绍了新型光纤材料与器件、氟化物玻璃光纤，碳涂覆光纤、以及正在研究中的蜂窝型波导光纤、液晶光纤等。 一、引言 随着密集波分复用DWDM技术、掺铒光纤放大器EDFA技术和光时分复用OTDR技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统的方向发展，并且逐步向全光网络演进。在光通信迅猛发展的带动下，光纤传感器作为传感器家族中年轻的一员，以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独一无二的优势，已迅速成长为年成交额超过10亿美金，并预计将于2010年拥有超过50亿美金市场的产业。每年由美国光学工程师学会(OSA)主办的光纤传感国际会议（OFS）及时报道着光纤传感领域的最新进展，并对光纤传感及其相应技术进行有益的研讨。 当前，世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那样迅速地获得产业化，许多关键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化有一定的距离，因此光纤传感技术的原理性研究仍处于相当重要的位置。由于很多光纤传感器的开发是以取代当前已相当成熟，可靠性和成本已得到公认，并已经被广泛采用的传统机电传感系统为目的，所以尽管这些光纤传感器具有如电磁绝缘、高灵敏度、易复用等诸多优势，其市场渗透所面临的困难和挑战是可想而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中占有明显优势，FBG和其它的光栅类传感器就是一个最好的例证。当前的原理性研究热点集中于光纤光栅（FBG和LPG）型传感器和分布式光纤传感系统两大板块。 FBG型光纤传感器自发明之日起，已走过了原理性研究和实验论证的百家争鸣阶段。目前成熟的FBG制作工艺已可形成小批量生产能力，而研究的焦点也转向解决高精度应用，完善解调和复用技术，以及降低成本等几个方向上。另一方面，由于光纤传感器具有将传输与传感媒质合而为一的特性，使得沿布设路径上的光纤可全部成为敏感元件，因此，分布式传感成为光纤传感器与生俱来的优点。 对于光纤传感技术的应用研究主要有以下四大类：光（纤）层析成像技术（OCT，OPT）、智能材料（SMART MATERIALS）、光纤陀螺与惯导系统（IFOG，IMIU ）和常规工业工程传感器。另外，由于光纤通信市场需求的带动以及传感技术的特殊要求，新型器件和特种光纤的研究成果也层出不穷。 目前，我国的光纤传感器研究大多数集中于大专院校和科研单位，仍然未完成由实验室向产品化的过渡。其中，比较成熟的技术包括：清华大学光纤传感中心与总后合作研制开发的光纤油罐液位与温度测量系统，已经安装运行数年；北京航空航天大学与总装合作研制的光纤陀螺系统，目前指标为0.2°/hr ；中国计量学院研制的分布式光纤传感系统，已有产品报道；华中理工大学与广东某公司联合研制的强电压、大电流传感系统。此外，在广东、深圳等地，还建立了许多光纤无源器件生产厂
光纤传感器的应用与发展趋势 学生：王超 学号：1049721103105 专业：物理电子学 光在传输过程中，光纤易受到外界环境的影响，如温度、压力等，从而导致传输光的强度、相位、频率、偏振态等光波量发生变化，通过监测这些量的变化可以获得相应的物理量，这就是光纤传感技术。该技术是随着光纤及通信技术的发展而逐步发展起来的一门崭新技术。密集波分复用D W D M 技术、掺铒光纤放大器EDFA 技术和光时分复用OTDR 技术的不断发展成熟，使得光纤传感技术以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独一无二的优势，获得了飞速的发展，各种光纤传感器系统层出不穷。 光纤传感器系统的原理 由于光纤不仅作为光波的传播介质，而且光波在光纤中传播时，光波的特征参量( 振幅、相位、偏振、波长等) 会因外界因素（温度、压力、应变、电场、位移等）间接或直接的发生变化，从而可将光纤用作传感元件探测物理量。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、拾光型三大类。 1、功能型光纤传感器中光纤不仅作为导光介质也是敏感元件，光在光纤内受到被测量物理量的调制。它的特点是结构紧凑、灵敏度高，但它须用特殊光纤和先进的检测技术，因此成本高。光纤陀螺即是典型的功能型光纤传感器。 2、非功能型光纤传感器中光纤仅起导光作用，光照到非光纤型敏感元件上受被测量物理量调制。因其无需特殊光纤及特殊技术，易实现、成本低，但灵敏度也相应较低，常用于灵敏度要求不太高的场合。目前的光纤传感器大多是该类型的。 3、拾光型光纤传感器中光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、 散射的光。如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。 光纤传感器的特点 由光纤传感器的原理我们可以很容易理解它有如下几个特点： （1 ）光纤具有宽波长范围、低衰减的特性，光源、检测器和光学元件的选择余地大，可以适用于不同的应用场合。
光纤传感器位移特性实验报告 一、实验目的： 了解反射式光纤位移传感器的原理与应用。 二、实验仪器： 光纤位移传感器模块、Y型光纤传感器、测微头、反射面、直流电源、数显电压表。三、实验原理： 反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。其原理如图36-1所示：光纤采用Ｙ型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射面，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接收到的光源与反射体表面的性质及反射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射面时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。 图36-1 反射式光纤位移传感器原理图36-2 光纤位移传感器安装示意图四、实验内容与步骤 1．光纤传感器的安装如图36-2所示，将Y型光纤安装在光纤位移传感器实验模块上。探头对准镀铬反射板，调节光纤探头端面与反射面平行，距离适中；固定测微头。接通电源预热数分钟。 2．将测微头起始位置调到14cm处，手动使反射面与光纤探头端面紧密接触，固定测微头。 3．实验模块从主控台接入±15V电源，打开实验台电源。 4．将模块输出“Uo”接到直流电压表（20V档），仔细调节电位器Rw使电压表显示为零。 5．旋动测微器，使反射面与光纤探头端面距离增大，每隔０.1ｍｍ读出一次输出电压Ｕ值，并记录。 五、数据记录与分析 1、数据记录表格 X（mm）0.10.20.30.40.50.60.70.80.9 1.0 Uo(V)0.080.180.280.400.520.640.750.870.97 1.06
仪器与电子学院实验报告 （操作性实验） 班级： 学号： 学生姓名： 实验题目：反射式光纤位移传感器特性实验 一、实验目的 1）掌握反射光纤位移传感器工作原理； 2）掌握反射光纤位移传感器静态特性标定方法。 二、实验仪器及器件 光纤、光电转换器、光电变换器、电压表、支架、反射片、测微仪。 三、实验内容及原理 反射式光纤位移传感器的工作原理如图3所示，光纤采用Y 型结构，两束多模光纤一端合并组成光纤探头，另一端分为两束，分别作为接收光纤和光源光纤，光纤只起传输信号的作用。当光发射器发生的红外光，经光源光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤至光电转换元件将接收到的光信号转换为电信号。其输出的光强决定于反射体距光纤探头的距离，通过对光强的检测而得到位移量。 图1 反射式光纤位移传感器原理及输出特性曲线 四、实验步骤 1、观察光纤结构：本仪器中光纤探头为半圆型结构，由数百根光导纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。 2、将原装电涡流线圈支架上的电涡流线圈取下，装上光纤探头，探头对准镀铬反射片( 即
电涡流片)。 3、振动台上装上测微仪，开启电源，光电变换器Vo端接电压表。旋动测微仪，带动振 动平台，使光纤探头端面紧贴反射镜面，此时Vo输出为最小。然后旋动测微仪，使反射镜面离开探头，每隔0.5mm取一Vo电压值填入下表，作出V—X曲线。 4、根据所测数据求出平均值后，在坐标纸上画出输出电压-位移特性曲线（分前坡和后坡）， 计算灵敏度S=，并在坐标纸上画出V—X关系线性、灵敏度、重复性、迟滞曲线。 五、实验测试数据表格记录 表1 六、实验数据分析及处理 1、线性度： 图2 线性曲线
智能材料 智能材料（Intelligent material），是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。一般说来，智能材料有七大功能，即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。 定义 智能材料目前还没有统一的定义。不过，现有的智能材料的多种定义仍然是大同小异。大体来说， 智能材料料就是指具有感知环境(包括内环境和外环境)刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。具体来说，智能材料需具备以下内涵：(1)具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电，光，热，应力，应变，化学，核辐射等； (2)具有驱动功能，能够响应外界变化； (3)能够按照设定的方式选择和控制响应； (4)反应比较灵敏,及时和恰当； (5)当外部刺激消除后,能够迅速恢复到原始状态。 智能材料又可以称为敏感材料，其英文翻译也有若干种，常用的有Intelligent material，Intelligent material and structure，Smart material，Smart material and structure，Adaptive material and structure等.。 分类 作为一种新型材料，一般认为，智能材料由传感器或敏感元件等与传统材料结合而成。这种材料可以自我发现故障，自我修复，并根据实际情况作出优化反应，发挥控制功能。智能材料可分为两大类： （1）嵌入式智能材料，又称智能材料结构或智能材料系统。在基体材料中，嵌入具有传感、动作和处理功能的三种原始材料。传感元件采集和检测外界环境给予的信息，控制处理器指挥和激励驱动元件，执行相应的动作。 （2）有些材料微观结构本身就具有智能功能，能够随着环境和时间的变化改变自己的性能，如自滤玻璃、受辐射时性能自衰减的Inp半导体等。 这只是一种比较笼统的分类方法，由于智能材料还在不断的研究和开发之中，因此相继又出现了许多具有智能结构的新型的智能材料。如，英国宇航公司在导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间，仅为10分钟；在压电材料、磁致伸缩材料、导
光纤式传感器 传感技术与计算机技术、通讯技术被称为信息产业三大支柱技术, 是组成现代信息化技术的基础。世界各大强国均将传感器技术视为国家科技发展战略中的重要组成部分, 作为国家重点发展的领域之一。光纤传感器主要有传感型和传光型两大类, 两类传感器在传感原理上均可分为光强调制、相位调制、偏振态调制及波长调制不同形式, 由此构成不同的传感器。迄今业已证实, 被光纤传感器敏感的物理量有 70多种, 与传统的传感器相比, 光纤传感器有灵敏度高、重量轻和体积小、多用途、对介质影响小、抗电磁干扰和耐腐蚀且本质安全、易于组网等特点, 使其近年来在航天航空、国防、能源电力、医疗和环保、石油化工、食品加工、土木工程等领域的应用得到了迅速发展。表 1 为光纤传感器对参数测定的原理及主要方式。 一、光纤传感器的基本原理及组成 光纤传感器由光源、敏感元件、光探测器、信号处理器系统以及光纤等组成。光纤传感器的基本原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测量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、相位偏振态等）发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。 1．1强度调制光纤传感器 强度调制光纤传感器的基本原理是：待测物理量引起光纤中传输光的光强变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量。待测量作用于光纤敏感元件，使通过光纤的光强发生变化。设输入光强为恒量Iin，输出光强为Iout，即待测量对光纤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）。 1.2相位调制光纤传感器 相位调制光纤传感器的基本原理是：通过被测能量场的作用，使光纤内传输的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。所有能够影响光纤长度、折射率和内部应力的被测量都会引起相位变化，如应力应变温度和磁场等外界物理量。但是，目前的各类光探测器都不能探测敏感光的相位变化，必须采用干涉测量技术，才能实现对外界物理量的检测。与其他调制方式相比，相位调制技术由于采用干涉技术而具有很高的检测灵敏度。常用的干涉仪有四种：迈克尔逊、马赫-琴特、法布里-珀罗和萨格耐克。它们的共同点是：光源发出的光都要分成两束或更多束的光，沿不同的路径传播后，分离的光束又重新汇合，产生干涉现象。
光纤光栅传感器是一种常用的光学传感器件，分布式光纤光栅就属于准分布式光纤传感器件中的一种。选题方向合理。请尽快确定课题完成方式，明确研究内容，尽快开展课题调研论证工作。75 分布式光纤光栅传感技术 光纤传感技术是一种以光纤为媒介，光为载体，感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术，是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而逐步形成的。在光通信系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界因素的影响越小越好，但是，在实际的光传输过程中，光纤容易受到外界环境因素的影响，如温度、压力、应变等外界条件的变化将引起光纤中传输光波的特征参数如频率、相位、光强、偏振态等的变化，通过测量这些参数的变化，就可以得到外界作用于光纤的物理量，这就是光纤传感技术。光纤传感技术的基本原理是：将光源的光入射进光纤，当光在光纤中传输的过程中受到外界物理量影响，使得被测参数与光纤内传输的光相互作用，进行调制，从而使其光学性质如光的频率、波长(颜色)、强度、相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号光，然后将这一调制的信号光送入光探测器中进行解调，经信号处理后就可获得被测参数。 光纤传感器与传统传感器相比具有许多明显优势： 1）体积小、重量轻，几何形状具有多方面的适应性，可以做成任意形状的传感器和传感器阵列。 2）抗电磁干扰能力强、耐高温、耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠。 3）光纤传感器件多是无源器件，对被测对象影响较小。 4）便于复用，便于成网。它既可以作为信息的传递媒介，又可以作为信号测量的传感装置。 5）光纤传感器传输频带宽，动态范围大，测量距离长。 光纤传感器的种类很多，按照其工作方式可分为：点式、准分布式和分布式三类。其中，准分布式光纤传感器是使用传感网络系统进行测量的，其光纤不作为传感元件，只作为传输元件，其敏感元件为多个点式的传感器，它们采用串联或各种网络结构形式连接起来，利用波分复用、时分复用或频分复用等技术形成分布式网络系统，进而可以较精确地分时或同时得到被测量信息的空间分布，也可同时得到某一点或某些空间点上不同被测量的分布信息。 光纤光栅传感器除了具有一般光纤传感器耐高温、耐腐蚀等优点之外，还具有波长编码，抗干扰能力强等特性。另外，它较易于在一根光纤中连续写入多个光栅，以制成分布式光纤光栅传感，制得的光栅阵列轻巧柔软，可与渡分复用或时分复用技术等相结合，且十分适于作为分布式传感兀件贴于结构表面或埋人到材料和结构的内部，以实现对结构应变、温度以及压力等的多点监测，这对于目
大学物理实验 光纤技术专题实验 学院 班级 学号 姓名 教师张丽梅 首次实验时间2012年9月17日
浅谈反射式强度型光纤传感器 摘要：本文通过物理实验的经历和收获和查阅相关资料，简要地论述了反射式强度型光纤传感器的工作原理，以及国内外对该类传感器研究现状，指出其存在的问题和解决方法。 关键词：反射式光纤传感器，反射面，强度调制，研究，发展趋势 1引言 通过光纤技术专题实验，我对光纤的结构和一般性质，光纤的耦合、传输及传感特性有了一定的了解，尤其是在做第三个实验“光纤传感”时，对反射式强度型光纤传感器产生了浓厚的兴趣。通过查阅资料等手段，写下了这篇浅显的论文。 2反射式强度型光纤传感器及其原理 反射式强度型光纤传感器（RIM-FOS:Reflective Intensity Modulated Fiber Optic Sensor）具有原理简单、设计灵活、价格低廉等特点，并已在许多物理量
( 如位移、转速、振动等) 的测量中获得成功应用。其结构原理如图1。 图2 与传统传感器是以机- 电测量为基础相比,，光纤传感器则以光学测量为基础。从本质上分析, 光就是一种电磁波, 其波长范围从极远红外的1nm 到极远紫外线的 10nm。电磁波 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, 在讨论光的敏感测量时必须考虑光的电矢量E 的振动。通常用下式表示:E=Asin( ωt+")
式中A—电场E 的振辐矢量; ω—光波的振动频率;"— 光的相位; t—光的传播时间。由上式可见, 只要使光 的强度、偏振态( 矢量A的方向) 、频率和相位等参量 之一随波测量状态的变化而变化, 或者受被测量调制, 那么, 我们就有可能通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位的调制等进行解调, 获得我们所需要 的被测量的信息。最简单的反射式强度型光纤传感 ( RIMFOS)由光源、发送光纤、接收光纤、反射面以及 光电探测器组成.在图一中S 为光源, D 为检测器。光 源S 发出的光经发送 光纤束全反射传播, 到达反射面( 被测物) , 射 进入接收光纤束再次全反射传播到达检测器D, 测器D 输出相应的电信号U0。 U0=f( d) 在光纤芯半径r、光纤的数值孔径NA、反射面、 检测器已确定情况下, 输出电压U0 只是位移d 的函数。所以通过分析输出电压U0, 可以得到相应位移d的数值, 这样可以实现非接触微小位移的精密测量。
光纤传感技术 在智能电网安全综合监测中的应用 山东微感光电子有限公司
目录 1.研究背景 (1) 2.研究目的与意义 (2) 3.研究内容 (3) 4.研究目标及技术路线 (5) 5.研究方案 (6) 5.1.光纤传感技术 (6) 5.1.1光纤光栅传感技术 (6) 5.1.2光纤分布式温度检测技术 (11) 5.1.3光纤气体检测技术 (12) 5.2 光纤传感技术在电力安全监测中的应用 (14) 5.2.1 光纤电缆沟综合监测 (14) 5.2.2 光纤高压开关柜温度监测 (19)
1.研究背景 随着电力系统互联的不断发展，现代电网规模日益扩大，逐渐形成了全国统一、甚至跨国的大型联合系统。随着电力网络互联程度的不断提高，系统越来越庞大，运行方式越来越复杂，保证系统安全可靠运行的难度也越来越大，使整个电网的安全稳定问题越来越突出。在现代大电网中，各区域、各部分互相联系、密切相关，在运行过程中互相影响。如果电网结构不完善，缺少必要的安全监测措施，一个局部的小扰动或异常运行也可能引起全系统的连锁反应，甚至造成大面积的系统瓦解。大规模的电力系统对现有的电网安全状态综合监测提出了新的挑战。电力系统是现代社会中最重要、最庞大的工程系统之一。电能供应的中断，不仅直接影响到国防与工农业生产、交通，造成人民生活紊乱，在某些情况下甚至酿成及其严重的社会性灾难。随着我国电力系统向高效环保可持续发展的目标发展，电力系统的安全高效运行更加重要。电力设备和电力线路的运行状态监测是保证电力系统安全高效运行的重要手段。但是，在具有强电磁干扰、高压的恶劣环境下，电子传感器具有很大局限性。因此，急需对电网运行状态进行实时在线综合检测的有效手段。 光纤传感技术是20世纪70年代末兴起的一种先进的多学科交叉技术。光纤传感器所具有的诸多独特优点，使得光纤传感器在电力系统安全监测中发挥了巨大作用。
五、注意事项 1.不得随意摇动和插拔面板上的各种元器件，以免造成实验仪不能正常工作。 2.光纤传感器弯曲半径不得小于5㎝，以免折断。 3.旋动螺旋测微丝杆尾帽中出现咔咔声表示不能继续前进，不能超过其量程。 4.在使用过程中，出现任何异常情况，必须立即关机断电以确保安全。 5.不得用手触摸反射面，以免影响实验结果。 六、实验操作 1）光路与机械系统组装调试实验 1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 图3 光纤传感器安装示意图 2.将发射和接收部分接入电路，探测器输出信号处理电路不接调零电路，输出端U0接入电路板上电压表。 3.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 4.选择智能可调档位200mv或者2v档位。 5.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面，观察电压表显示变化，并分析。 6.关闭电源。 2）发光二极管驱动实验1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 2.仅仅把发射部分接入电路。 3.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 4.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面，观察电压表显示变化，并分析。 5.关闭电源。 3）光电探测器PD接收实验 1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 2.仅仅把接收部分接入电路。 3.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 4.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面，观察电压表显示变化，并分析。 5.关闭电源。 4）光纤位移传感器输出信号放大处理实验 1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 2.将发射和接收部分接入电路，探测器输出信号处理电路接调零电路，输出端U0接入电压表。 3.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 4.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面某一距离后维持不动，调节增益旋钮，观察电压表显示变化，并分析。 5.关闭电源。 5) 光纤位移传感器输出信号误差补偿电路 1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座 7
光纤传感中震动原理在通信中的运用 （LTR 1550系列光缆普查仪在通信中的优势） 作者：王志刚LTR 从1966年英籍华人高锟博士提出光纤通信到现在，光纤光缆在通信领域得到飞速发展，起到了不可替代的作用，并且在近几年将会完成全光网络的发展。我国从1977年“光纤之父”赵梓森院士在武汉邮科院生产出第一个光纤到1982年我国第一条光纤实用化工程武汉八二工程的完工，开始了光纤通信轰轰烈烈的大建设，同时光纤的施工和维护的技术也不断成熟。 纵观我国光纤光缆工程的建设大家会发现，施工单位能很熟练的完成一个光缆工程的施工，但很难找到在室外自己需要的拿条光缆。特别是现在慢慢向全光网络发展，同一个人、手井里面会出现同一个厂家、同一个型号和同样芯数的光缆会有好几十条。因为我国市政和绿化部门的审批很难和很慢批下来，所以造成了同一条通信管道中有移动、联通、电信、广电等等不同通信运营商的同一个厂家、同一个型号和同样芯数的光缆。并且很多光缆在施工过程中光缆表面的字体很多都被拖模糊了。这样给后期的维护和割接工作带来了非常大的麻烦。通过光纤震动感应的原理来识别光缆不断打破了传统切断、弯曲和冷冻破坏性识别的误区并且在识别距离上得到大大的提升，最长可以做到80km。 光纤传感技术伴随光纤通信技术的发展而兴起，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。所谓感知，
是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即感知外界信号的变化。所谓传输，是指光纤将受到外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理。 技术壁垒依然存在 既能感知，又能传输是光纤传感技术的最大特点，在光纤传感领域拥有很高造诣的南京大学工程管理学院张旭苹教授指出光纤传感技术是物联网的重要技术之一。张旭苹教授通俗简明地介绍了光纤传感技术的基本工作原理：当光纤受到一点很微小的外力作用时，就会产生微弯曲，而其传光能力发生很大的变化。声音是一种机械波，它对光纤的作用就是使光纤受力并产生弯曲，通过弯曲就能够得到声音的强弱。系统软件会对声波进行分析处理，从而获取有价值的信息。 光纤传感技术能够实现大范围测量场中分布信息的提取，因而可解决目前测量领域的众多难题，如：分布式温度传感器可用于大、中型变压器、发电机组和油井的温度分布测量，大型仓库、油库、高层建筑、矿井和隧道的火灾防护及报警系统等领域；分布式应力传感器可用于桥梁、堤坝等设施的安全检测，航空、航天飞行器等大型设备老化程度的检测，智能材料制备等领域。
反射式光纤位移传感器实验报告 一、实验内容 1、按照光路图搭建各类光学元件 2、用螺丝固定两侧推平移平台，侧推平移台装在滑块上，然后采用 FC=FC对接法兰连接半导体激光输出接口与塑料反射式传感光纤，塑 料反射式光鲜FC端口与功率计感应端口通过光纤法兰座固定。 3、塑料反射式传感光纤螺纹端夹持固定可调棱镜支架中，并调节可调 棱镜支架的调节旋钮使出射的光路与导轨平行。 4、调节反射镜与反射式光纤跳线之间距离，使得反射端紧贴反射镜， 调节旋钮使得反射光与入射光重合达到反射镜与光路垂直，直到显示 的功率接近0值。 5、固定反射镜与可调棱镜的位置，旋转沿光轴方向（导轨方向）xuan 转侧推平移台尺杆，使反射镜远离光纤发光端，并记录位移-功率值数 据并绘制实验图，在曲线图中线性最好的那一段可作为实际位移传感 器应用。 二、实验结果 三、实验分析 如图，线性较好的第一段（即位移在0-0.3mm间）满足线性化，可作为实际位移传感应用。反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射片，再被反射到接收光纤，最后由光电
转换器接收，转换器接受到的光源与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射片时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。
２００8年9月中国医学物理学杂志Sep ．,２００8 第２5卷第5期 ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｄｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．25．Ｎｏ．5 光纤传感器的基本原理及在医学上的应用 孙素梅1，陈洪耀2，3，尹国盛2（1.漯河医学高等专科学校，河南漯河462000；2.河南大学物理与电子学院，河南开封 475004；3.中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽合肥230031） 摘要：目的：本文的目的简要介绍光纤传感器的基本原理和简单分类，重点阐述传光型光纤传感器在医学的压力、流速、ｐＨ值等五方面的应用。方法：光纤传感器基本原理是将光源发出的光经光纤送入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的强度、频率、相位、偏振等发生变化成为被调制的信号光，再经光纤送入光探测器、解调器而获得被测物理量。光纤传感器按其传感原理可分为两大类：一类是传光型传感器，另一类是传感型传感器。结果：目前在医学上应用的主要是传光型光纤传感器。光纤传感器主要优点：小巧、绝缘、不受射频和微波干扰、测量精度高。医疗上的图象传输是传输型光纤传感器应用中很有特色的一部分。只需将许多光纤组成光纤束，就可以做成能有效地使图象空间量子化的传感器。自从光导纤维引入到内窥镜以后，扩大了内窥镜的应用范围。光导纤维柔软、自由度大、传输图象失真小、直径细等优点使得各种内窥镜检查人体的各个部位几乎都是可行的，且操作中不会引起病人的痛苦与不适。其中光纤血管镜已应用于人类的心导管检查中。在进行激光血管成形术时，血管镜可提供很多重要的信息，用以引导激光辐射的方向，选择激光的能量和持续时间，并可了解在成形术后的治疗效果。光纤内窥镜不仅用于诊断，也正进入治疗领域中，例如用于做息肉切除手术等。微波加温治疗技术是当前治疗癌症的有效途径，但微波加温治疗癌症技术的温度难以控制，而光纤温度传感器恰可以对微波加温治疗癌症的有效温度进行监测，从而使温度不致于过高杀死人体的正常细胞，也不会过低达不到治疗目的，使癌细胞进一步扩散。光纤温度传感器在癌症治疗方面的研究和开发正日益兴起。结论：光纤传感器作为一种优势明显的新型传感器在医学领域得到应用，为治疗疾病提供了一种崭新的方法。可以预见随着制作技术的日益成熟和器件性能的不断提高，不久的将来光纤传感器必将会进一步推动医学的飞速发展。 关键词：光纤传感器；测量；医学；应用中图分类号：Ｒ３１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：1005-202X （2008）05-0846-05 The Basic Principle and Applications on Medical of Fiber Optic Sensors ＳＵＮＳｕ－ｍｅｉ１，ＣＨＥＮＨｏｎｇ－ｙａｏ２，３，ＹＩＮＧｕｏ－ｓｈｅｎｇ２ （１．ＬｕｏｈｅＭｅｄｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅ，ＬｕｏｈｅＨｅ＇ｎａｎ４６２０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｉｎａＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｏｌｌｅｇｅ，Ｈｅ＇ｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＫａｉｆｅｎｇＨｅ＇ｎａｎ４７５００４，Ｃｈｉｎａ；３．ＴｈｅＡｎ＇ｈｕｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＴｈｅＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＨｅｆｅｉＡｎｈｕｉ２３００３１，Ｃｈｉｎａ） Abstract:Objective:Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｓｉｍｐｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｏｎｍｅｄｉｃａｌｉｎｂｌｏｏｄｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅｓｐｅｅｄｏｆｆｌｏｗ，ｔｈｅｐＨｖａｌｕｅｅｔｃ．Method:Ｔｈｅｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｉｓｔｈｅｌｉｇｈｔｗｈｉｃｈｓｅｎｄｓｏｕｔｔｈｅｐｈｏｔｏｓｏｕｒｃｅｓｅｎｄｓｉｎａｆｔｅｒｔｈｅｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｒｅａ，ｉｎｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｒｅａ，ｔｈｅｏｕｔｓｉｄｅｗａｓｍｅａｓｕｒｅｄｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｗｉｔｈｅｎｔｅｒｓｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｒｅａｔｈｅｌｉｇｈｔｔｏａｆｆｅｃｔｍｕｔｕａｌｌｙ，ｃａｕｓｅｓｔｈｅｌｉｇｈｔｔｈｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｔｈｅｐｈａｓｅ，ｔｈｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｔｏｏｃｃｕｒｃｈａｎｇｅｓｉｎｔｏｔｈｅｓｉｇｎａｌｌｉｇｈｔｗｈｉｃｈｍｏｄｕｌａｔｅｓ，ａｇａｉｎｐａｓｓｅｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｔｏｓｅｎｄｉｎｔｈｅｌｉｇｈｔｄｅｔｅｃｔｏｒ，ｔｈｅｄｅｍｏｄｕｌａｔｏｒｏｂｔａｉｎｓｉｓｍｅａｓｕｒｅｄｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｑｕａｎｔｉｔｙ．Ｔｈｅｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒｍａｙｄｉｖｉｄｅｉｎｔｏｔｗｏｋｉｎｄｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｉｔｓｓｅｎｓｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ：ｏｎｅｋｉｎｄｉｓｔｈｅｌｉｇｈｔ－ｐａｓｓｉｎｇｓｅｎｓｏｒ；ｔｈｅｏｔｈｅｒｉｓｔｈｅｓｅｎｓｉｎｇｓｅｎｓｏｒ．Result:Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｍａｉｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｍｅｄｉｃｉｎｅｉｓｔｈｅｌｉｇｈｔ－ｐａｓｓｉｎｇｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅｍａｉｎａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃ ｓｅｎｓｏｒａｒｅ：ｅｘｑｕｉｓｉｔｅ，ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ，ｎｏｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｔｈｅｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｔｈｅｍｉｃｒｏｗａｖｅ．Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｉｓh ｉｇｈ．Ｔｈｅｉｍａｇｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｎｍｅｄｉｃａｌｉｓｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｐａｒｔｏｆ ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｍｏｄｅｓｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒ．Ｏｎｌｙｔｉｅａｐｌｅｎｔｙｏｆｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｔｏｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓ，ｗｅｃｏｕｌｄｍａｋｅｔｈｅｓｅｎｓｏｒｗｈｉｃｈｃａｎｃａｕｓｅｔｈｅｉｍａｇｅｓｐａｃｅ 收稿日期：2008-03-10 作者简介：孙素梅（1954-），女，漯河医学高等专科学校物理教研室 副教授。Tel ：0395-296452713939575106；E -mail ： sunsumei2007@https://www.doczj.com/doc/1b4007479.html, 。 846--
第九章光纤传感器第一节光纤的传光原理与特性 一、光纤的结构 二、光纤的传光原理 三、光纤的传光特性 第二节传输光的调制技术 一、光强度调制 二、光相位调制 三、偏振调制 四、频率调制 第三节强度调制光纤传感器 一、光纤水深探测器 二、透射式光纤温度传感器 三、反射式光纤位移传感器 第四节相位调制光纤传感器 第五节偏振调制光纤电流传感器 第六节频率调制光纤血流传感器
第九章光纤传感器 1970年，美国康宁玻璃公司研制成功传输损耗为20db/km的光导纤维。光导纤维的诞生，是20世纪人类的重要发明。现已广泛应用于工程技术、及通讯技术。 光导纤维作为远距离传输光波信号的媒质，最早用于光通讯技术，但人们在实际光通讯过程中发现，光导纤维受到如压力，温度、电场、磁场等外界环境因素变化的影响时，将引起光纤传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等的变化。若能测量光波量的变化，就可以知道导致这些光波量变化的压力、温度、电场、磁场等物理量的大小。于是，诞生了光导纤维传感器技术。 光纤传感器亦称光导纤维传感器，光纤传感器技术是70年代末发展起来的一门崭新技术，是传感器技术领域里的新成就。 光导纤维传感器技术是随着光导纤维的实用化和光通讯技术的发展而发展起来的，它与以电为基础的传感器相比有本质的区别。 光纤传感器是以光来作敏感信息的载体，用光导纤维作为传递敏感信息的媒质。
光导纤维传感器同时具有光导纤维及光学测量的一些宝贵的特点： 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、抗电磁干扰、对被测场不产生影响、易实现对被测信号的远距离测控。 光纤传感器技术是一门多学科性科学，涉及到的知识面广泛，如光纤光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术、计算机应用等。本章重点介绍光纤传感器原理、分类、及典型应用。
光纤传感技术原理及在物联网场景中的应用 自出现光纤传感器后，它的优势与应用引起了各个国家人们的高度关注，并且对光纤传感技术进行了深入的研究；现如今，通过光纤传感器可以对位移、温度、速度、角度等物理量进行测量，很多西方发达国家将对光纤传感器研究的重点放在光纤控制系统、核辐射监控、民用计划等多个方面，同时已经取得了可喜的成绩。 光纤传感技术的发展 光纤传感技术始于1977年，是一种伴随着光纤技术和光通信技术迅猛发展起来的新型传感技术，光纤传感器作为光纤传感技术的主要载体，近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展，在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。 光纤传感器的技术原理 光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。其基本原理是将光源的光经入射光纤送人调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。 光纤传感器按传感原理可分为两类：一类是传光型(非功能型)传感器[2]，另一类是传感型(功能型)传感器[3]。在传光型光纤传感器中，光纤仅作为光的传输媒质，对被测信号的感觉是靠其它敏感元件来完成的，这种传感器中出射光纤和入射光纤是不连续的，两者之间的调制器是光谱变化的敏感元件或其它性质的敏感元件。在传感型光纤传感器中光纤兼有对被测信号的敏感及光信号的传输作用，将信号的“感”和“传”合而为一，因此这类传感器中光纤是连续的。 由于这两种传感器中光纤所起的作用不同，对光纤的要求也不同。在传光型传感器中光纤只起传光的作用，采用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求，而敏感元件可以很灵活地选用优质的材料来实现，因此这类传感器的灵敏度可以做得很高，但需要较多的光耦合器件，结构较复杂；传感型光纤传感器的结构相对来说比较简单，可少用一些耦合器件，但对光纤的要求较高，往往需采用对被测信号敏感、传输特性又好的特殊光纤。到目前为止，实际中大多数采用前者，但随着光纤制造工艺的改进，传感型光纤传感器也必将得到广泛的应用。 光纤传感技术在物联网场景中的应用 按光在光纤中被调制的原理不同，光纤传感器可分为：强度调制型、相位调制型、偏振态调制型、频率调制型、波长调制型等。迄令为止，光纤传感器能够测定的物理量已达七十多种。 30多年的发展，中国光纤传感市场产业化格局基本形成，从最初单一的技术产品推广逐步向成熟的整体解决方案迈进，从产品种类、工艺质量及工程实施服务等多方面得以逐步完善，行业标准及规范逐渐形成。主要研究领域包括：
光纤传感器的位移特性实验报告 一、实验目的 了解光纤位移传感器的工作原理和性能。 二、基本原理 本实验采用的是传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y型光纤，半园分布即双D型一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距X，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量，而光电转换器转换的电量大小与间距X有关，因此可用于测量位移。 三、需用器件与单元 光纤传感器、光纤传感器实验模板、数显单元、测微头、直流源、反射面。 四、实验步骤 1、根据图1-6安装光纤位移传感器，二束光纤插入实验板上的座孔上。其内部已和发光管D及光电转换管T 相接。 图1-6光纤传感器安装示意图
2、将光纤实验模板输出端V O1与数显单元相连，见图1-7。 图1-7光纤传感器位移实验接线图 2、调节测微头，使探头与反射面圆平板接触。 3、实验模板接入±15V电源，合上主控箱电源开关，调R W、使 数显表显示为零。 4、旋转测微头，被测体离开探头，每隔0.1mm读出数显表值， 将其填入表1-4。 表1-4光纤位移传感器输出电压与位移数据 X（mm） V(v) 5、根据表9－1数据，作光纤位移传感器的位移特性，计算在量 程1mm时灵敏度和非线性误差。 五、实验数据处理 1、实验数据： X(mm) 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 V（v）0.00 0.08 0.19 0.32 0.45 0.59 0.76 0.92 1.13 1.27 X(mm) 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 V（v） 1.39 1.50 1.59 1.65 1.70 1.78 1.84 1.88 1.91 1.91
第1章：光纤传感中的光学原理及效应 1.1光学反射原理 分为镜面反射和漫反射 镜面反射和漫反射情况 基于反射原理的光纤传感器结构简单、工作可靠、成本低廉。主要应用于位移测量，振动测量，压力测量，浓度测量和液位测量。 1.2光学折射原理
1.3光学吸收原理 选择吸收：介质对某些波长的光的吸收特别显著 郎伯比尔(Lambert-Beer)定律： Lambert-Beer 定律是吸收光度法的基本定律，表示物质对某一单色光吸收的强弱与吸光物质浓度和厚度间的关系。 当气体浓度、光程均很小的时候，可以近似为： 1.4光学多普勒效应 θ cos 11f f 02 20 0c u c u -= 雷达测速仪 检查机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普勒效应。交通警向行进中的车辆发射频率已知的电磁波，通常是红外线，同时测量反射波的频率，根据
反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度．装有多普勒测速仪的警车有时就停在公路旁，在测速的同时把车辆牌号拍摄下来，并把测得的速度自动打印在照片上。
1.5声光效应 超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空间作周期性变化，使介质出现疏密相间的现象，如同一个相位光栅 。当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射现象，这种现象称之为声光效应。 利用声光衍射效应制成的器件，称为声光器件。声光器件能快速有效地控制激光束的强度、方向和频率，还可把电信号实时转换 为光信号。此外，声光衍射还是探测材料声学性质的主要手段。 主要用途有：制作声光调制器件，制作声光偏转器件，声光调Q 开关，可调谐滤光器，在光信号处理和集成光通讯方面的应用。 1.6磁光效应 具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下，电磁特性发生变化，因而使得光波在其内部传输特性也发生变化的现象。 A 、法拉第效应：当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时，其偏振面发生旋转的现象，对于给定的介质，偏振面旋转角度=介质长度×磁场强度×维厄德系数 B 、磁光克尔效应：指一束线偏振光在磁化了的介质表面反射时，反射光将是椭圆偏振光，而且以椭圆的长轴为标志的“偏振面”相对于入射偏振光的偏振面旋转了一定的角度。 分类： ①极化克尔效应，即磁化强度M 与介质表面垂直时的克尔效应，应用于磁光存储技术中 ②横向克尔效应：M 既平行于介质表面，但垂直于光的入射面 ③纵向克尔效应：M 既平行于介质表面，又平行于光的入射面 C 、磁致线双折射效应：某些由各向异性分子组成的介质，在不加磁场时表现为各向同性，加上足够强的外磁场时，分子磁矩受到了力的作用，各分子对外磁场有了一定的取向，使介质宏观上呈现各向异性，当光以不同于磁场方向通过这样的介质时，就会出现双折射现象。 1.7电光效应 电光效应：指某些晶体的折射率因外加电场而发生变化的一种效应，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变。 +++=20bE aE n n （6-3）