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
FS-V21/21G/21RP/21RM/21X 光纤传感器调试方法 1、基本组成 本系列的光纤传感器外观基本由以下几部分组成，从左到右依次为： （1）SET键，此按钮可用于敏感度设定。本传感器的基本原理为：通过光纤探头对不同介质折射率的感应，从而获得数字信号，显示在屏幕上，通过显示数值的大小与设定灵敏值的比较发送开关量。 （2）指示灯，此灯在传感器有信号输出时发生亮灭变化。 （3）“设定灵敏值”，在屏幕上显示为绿色，表明当前设定的灵敏值。当探头采集到的数值变化至此数值时，传感器产生信号。 （4）“当前灵敏值”，在屏幕上显示为红色，显示传感器当前采集的数值。（5）“选择按钮”，及左右箭头，可以实现各种功能的选择，相当于翻页键 （6）“模式选择按钮”，此按钮可用于设定不同的工作模式。 2、接线方法 （1）F S-V21/21G/21R/21RM/21X：棕线：L+24V 黑线：信号线 橙线：1-5V 蓝线：公共端 （2）FS-V21RP：棕线：L+24V 黑线：信号线蓝线：公共端 3、灵敏度校准 （1）全自动校准：在工件进入探头的灵敏区域时，按住“SET”键不放，保持3秒，灵敏值将会被设定，显示为绿色 （2）两点校准：在工件未进入灵敏区域时，按住“SET”键保持三秒，有一个敏感值被记忆，然后将工件放置在敏感区域，按下“SET”键保持三秒，另一个敏感值被记忆，当敏感值从一个值变化为另一值时，传感器产生电平变化。 （3）一般校准：也可以通过按“选择按钮”，及左右键来增减敏感度的设定值。 （4）位置校准：在工件未进入灵敏区域时，按住“SET”键保持
三秒，然后将工件放置在离探头一定距离，按下“SET”键保持三秒，一个敏感值被记忆，当工件每次到达此位置时，传感器产生电平变化。 4、常开常闭设定 按下最右侧的开关选择按钮，可以选择，内部开关为常闭还是常开。
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
干涉型光纤传感器的信号处理系统 近年来，传感器在朝着灵敏、精巧、适应性强和智能化、网络化的方向发展。 在这一过程中，光纤传感器作为传感器家族的新成员，由于其优越的性能而倍受青睐。在各种光纤传感器中以干涉型光纤传感器的灵敏度最高。 干涉仪结构的光纤传感器系统，通过深入研究随机信号的互相关函数和基于ＡＲ模型的功率谱估计，设计出具有事件发生检测功能的传感器信号处理算法。此算法可以对外界振动进行实时预警，并实现高速、高精度的定位。 该技术可用于检测第三方入侵，对需要防护的地域、管线进行监控、报警并提供精确定位。 研究成果对于长距离分布式干涉型光纤传感器的实用化具有重要的理论意义和实际应用价值，并在工业和国防领域具有应用前景。 本文设计的光纤传感系统分为传感线路、光收发模块、数据采集和信号处理等部分。 传感线路部分是一种基于马赫一泽德干涉仪的双向干涉结构。 当干涉仪中的干涉臂受到外力引起的振动时，光纤中传输的光信号的相位会发生变化，从而导致输出干涉波形的变化。 干涉信号经光电转换、数据采集送至信号处理系统，经信号处理分析后可以对外界振动发生的位置进行定位。 信号处理部分由ＤＳＰ和ＰＣ机共同组成，ＤＳＰ用于实现事件发生检测算法，ＰＣ机实现定位算法。通过实验分析表明，事件发生检测算法可以显著地改善光纤传感器的性能，提高系统准确性，降低误报率。在合理设置采样率
的基础上，可以实现ｌＯＯＭ的定位误差。采用ＤＳＰ和ＰＣ机合理分配运算负担，可以满足光纤传感器系统实时监控的要求。 第一章绪论 １．１引言传感器是感受规定的被测物理量并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装置，它在工业生产、国防建设和科学技术等各个领域都发挥着巨大作用。近年来，传感器在朝着灵敏、精巧、适应性强和智能化、网络化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器作为传感器家族的新成员，由于其优越的性能而倍受青睐。与传统的传感器相比，光纤传感器具有以下的优势：首先，光纤是一种耐高压，抗腐蚀的介质，能在电磁或电子传感器不能工作的恶劣环境下运行。其次光波的传播频率极高，具有巨大的信息容量，又能有效的防止无线电波及电火花干扰传输的光波信号。同时，光纤很细，又具有极高的韧性，可以制造各种体积小、重量轻以及任意形状的传感器。更重要的是光纤传感器可以传感各种物理量，例如声，电、磁、温度、压力、振动、旋转等，并具有极高的灵敏度。 光纤传感器利用光纤本身的敏感特性进行工作。 由光源发出的光在光纤中传播时，若应力、温度、电场、磁场等外界因素发生了变化，则光波的振幅、相位、波长及偏振态等特征参量会随之变化，该过程称为光波的调制。含有调制信息的光波经光纤传输到光电转换部分，解调后被仪器接收，即可得到外场确切变化的信息。根据被测物理量对光的调制方法不同，光纤传感器可分为强度传感器，频率（或波长）传感器，相位传感器及光纤偏振式传感器四大类。其中尤其以光纤相位传感器（即各种光纤干涉仪）的灵敏度最高。光纤干涉仪将光波的相位信息转换位强度信息，通过检测光强信号分析出所测物理量。20世纪70年代以来，在飞速发展的光纤通信技术的带动下，光纤传感
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。
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
一、引言 光纤传感由于具有本质安全、电绝缘性好、灵敏度高及便于连网等优点，已在许多物理量的测量中得到应用，特别是基于光纤干涉的传感系统已成为物理量检测中最为精确的系统之一。 光纤干涉仪是一种高精度测量仪器，但存在相位随机漂移及倍频等光学问题。现有文献报导中，解决的方法是采用相位生成载波技术，调制解调的实现过程复杂，并有可能产生信号波形的失真。另外，虽有采用压电陶瓷（PZT）的报导，但未见对相位随机漂移及倍频问题的具体解决方法。为此，本文给出一种简单实用的解决方案，在原理上说明其可行性，并进行了实验验证。 二、Michelson干涉型光纤传感器原理 图1所示为Michelson相位调制型光纤干涉仪结构示意图。由激光器发出的相干光经光隔离器和耦合器后一分为二分别送入2根长度基本相同的单模光纤（即干涉仪的两臂，其一为信号臂，另一参考臂），而后被反射膜反射，在耦合器的输出端发生干涉。显然，这是一种双光束干涉仪，干涉光的幅度与信号光及参考光的幅度有关，其相位为两臂光相位之差，干涉场光强分布为 I=I1+I2+2I1I2cos（Φ）=A+Bcos（Φ）（1） Φ=2nπl/λ（2） 式（1）右端是光电转换的信号，I1、I2分别为干涉仪两臂单独存在时的光强，在检测时通常以直流项对待；2I1I2cos（Φ）表示干涉效应，当Φ=2mπ时，为干涉场的极大值，其中m为干涉级次。式（2）中，Φ为干涉仪两臂光波的相位差，它可以表示为因为环境波动引起的随机漂移信号S和待测信号N之和，由光波波长λ、光纤折射率n以及光纤两臂长度差l共同决定。在波长一定的情况下，两臂光程差改变nl，就改变了干涉信号的相位差，从而实现传感功能。
光纤水听器及阵列综述 马宏兰周美丽 （天津师范大学电子与通信工程学院） 摘要：为适应水声学应用特别是水下反潜战的需要 ,在光纤技术不断发展的基 础上 ,光纤水听器应运而生。光纤水听器是一种基于光纤、光电子技术上的新型水下声传感器 ,因其在军事、民用各领域应用广泛 ,目前光纤水听器在国内外发展迅速 ,已经到达实用状态。全光光纤水听器系统的湿端采用全光实现,信号传感与传输皆基于光纤技术。具有抗电磁干扰、重量轻和造价低等优点。文章简述了光纤水听器的发展历史、现状 ,论述了光纤水听器阵列的原理及其应用前景。 关键词：光纤水听器多路复用技术阵列 0引言：在光纤水听器的实际应用中，由于水下声场的复杂性，单元水听器很难获得目标的详细信息，因而需要将数百乃至上千个探测基元组成大的阵列，以获得更多水声场信息，通过水听器阵列完成声场信号的波束形成，实现对水下目标的定位与指向。在2003年8月下水的美国最新型攻击核潜艇上，装备的舷侧阵就由2 700个光纤水听器基元组成【1】。对于大规模的光纤水听器阵列，多达数十上百基元的光纤水听器光信号都是由同一根光纤传输的，在实际系统中，这种性能就是由光纤水听器的多路复用技术实现的。可见多路复用是光纤水听器的核心技术。 1 光纤水听器的开发 自1976年美国Bucar等人发表第一篇有关光纤水听器的论文【2】以来, 各工业发达国家的海军研究部门以及有关的研究和工业部门都在积极从事光纤水听器的研究和开发,尤其以美国最为突出。美国海军研究实验室、美国海军研究生院和Litton制导和控制公司等先后研究开发了Maeh一Zehnder、Michelson 干涉仪的光纤水听器, 主要结构有心轴型、互补型(推挽式) 、平面型和椭球弯 张式等光纤水听器。这些结构水听器达到的归一化灵敏度(△。/ 。△P）为适应水声学应用特别是水下反潜战的需要 ,在光纤技术不断发展的基础上 ,光纤水听器应运而生。光纤水听器是一种基于光纤、光电子技术上的新型水下声传感器 ,因其在军事、民用各领域应用广泛 ,目前光纤水听器在国内外发展迅速 ,已经到达实用状态。各国对光纤水听器的研究投入了大量人力和物力，技术也日益娴熟。 2、多路复用的阵列体系结构 阵列体系分为以下六大部分，其中时分/ 波分混合复用技术是其关键有效手段。 1 ) 频分复用(FDM) 【3】相位产生载波(PGC)问询的体系结构—美国海军研究实验室已用此方案对总数48 个单元水听器成网组成的阵列成功地进行了海上试验, 证实了这种体系结构的低阐值检测能力和低的串扰。 2) 时分复用(TDM) 相位产生载波问询的体系结构—美国海军研究实验室已作了10 单元的光纤水听器阵列演示, 证实了其低的光背景噪声和低的串扰。
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。
基恩士光纤传感器的分类 KEYENCE光纤传感器根据光受被测对象的调制形式可以分为：强度调制型、偏振态制型、相位制型、频率制型；KEYENCE光纤传感器根据光是否发生干涉可分为：干涉型和非干涉型；KEYENCE光纤传感器根据是否能够随距离的增加连续地监测被测量可分为：分布式和点分式；根据光纤在传感器中的作用可以分为：一类是功能型（传感型）传感器; 另一类是非功能型（传光型）传感器。 基恩士光纤传感器的原理 KEYENCE光纤传感器光纤布拉格光栅传感器（FBS）是一种使用频率最高，范围最广的光纤传感器，这种传感器能根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长。光纤布拉格光栅是通过全息干涉法或者相位掩膜法来将一小段光敏感的光纤暴露在一个光强周期分布的光波下面。这样光纤的光折射率就会根据其被照射的光波强度而永久改变。这种方法造成的光折射率的周期性变化就叫做光纤布拉格光栅。 当一束广谱的光束被传播到光纤布拉格光栅的时候，光折射率被改变以后的每一小段光纤就只会反射一种特定波长的光波，这个波长称为布拉格波长，这种特性就使光纤布拉格光栅只反射一种特定波长的光波，而其它波长的光波都会被传播。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解相关传感器产品的选型，报价，采购，参数，图片，批发等信息，请关注艾驰商城。https://www.doczj.com/doc/7676354.html,/
题目光纤传感技术读书笔记学院（系）： 专业班级： 学生姓名： 指导教师：
摘要：主要阐述了光纤传感技术的原理、特点及国内外的发展情况，介绍了在 实际测量中的一些具体应用。提出了我国光纤传感技术存在的问题，指出了今后的发展的方向，为光纤传感技术的深入研究提供了有益的参考 关键词：光纤传感技术；测量精度；光纤传感器 1 前言 自1966年高昆博士提出光纤传输的理论，以及1969年日本平板波利公司制出200dB/KM梯度光纤以来，光纤传感技术取得了飞速发展，而且已经形成了独立的光通讯产业形成。由于它独特的优点，决定了可实现某些特殊条件下的测量工作，比常规检测技术具有诸多优势，是传感技术发展的一个主导方向。光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势。光纤传感器产业已被国内外公认为最具有发展前途的高新技术产业之一，它以技术含量高、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。 2 光纤与光纤传感器的原理 光纤的结构由纤芯，包层，涂覆层，护套组成。光缆的结构由12×12的光纤阵列，光纤带，纸，聚乙烯内壳，聚烯烃双绞线，聚乙烯外壳，抗应变的钢索组成。而光纤传感器通常由光源、传感光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成。其传光原理是利用了光的全反射原理，将被测参量转换为光信号参数的变化。众所周知，描述光波特征的参量很多(如光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等)。这些参量在光纤传输中都可能会受到外界影响而发生改变，特别是温度、压力、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、弯曲、应变以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时，都会使这些参量发生相应变化。光纤传感器就是根据这些参量随外界因素的变化关系来检测各相位物理量的大小。 从结构上来讲，光纤传感器与电类传感器对比，光纤传感器的调制参量是振幅，相位。而电类传感器是电阻，电容，电感等。光纤传感器的传输信号为光，而电类传感器的传输信号为电。传输介质也有了很大的不同，光纤传感器的传输介质是光纤，光缆，而电类传感器的介质是电线，电缆。由结构的对比可见，光纤传感器与电类传感器是并行互补的一类新型传感器。 从应用上来讲，光纤传感器与传统传感器相比有其独特的优点，即非接触式测量、抗干扰力强、灵敏度高、体积小、重量轻、柔性好，而且测量对象广泛。因此，在传感器行业中，光纤传感器越来越显示出它的优势。它将替代传统的机械接触式传感器及电容非接触式传感器。机械接触式传感器磨损被测表面，这就限制了测量精度。电容非接触式传感器的抗电磁干扰力差，使得其适用范围受到限制。 3 光纤传感器的调制技术以及光信号的解调技术 光纤传感器的调制技术有四种，(1)强制调制，(2)相位调制，(3)偏振态调制，(4)频率调制。 强制解调有1)利用小的线位移或角位移进行强度调制；2)反射式强度调制；
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。
干涉型微纳光纤传感器 金龙，李杰，关柏鸥 (暨南大学光子技术研究所，广州，510632) 摘要：本文报道我们在干涉型微纳光纤传感器方面的研究进展，包括高双折射微纳光纤环形传感器、级联长周期光栅传感器及基于单锥结构的微纳光纤干涉型传感器。通过对干涉仪几何结构的设计与优化，实现了104 nm/RIU 量级的折射率感测灵敏度，为研制成本低廉、高灵敏度的光学生物化学传感器提供了可选方案。 关键词：微纳光纤；微纳光纤传感器；干涉型传感器 微纳光纤传感器具有体积小巧、结构灵活、强瞬逝场等特点，基于对周围液体折射率的测量，能够实现对微弱生化成分变化的检测。已报道的微纳光纤折射率传感器包括光栅型、谐振型等。我们通过结构设计与优化，实现了几种干涉型微纳光纤折射率传感器，具有折射率灵敏度高、温度灵敏度低，制作成本低等优点，具体包括： （1）高双折射微纳光纤环形传感器。在闭合光纤环镜结构中加入一段由矩形截面光纤熔融拉锥而成的高双折射微纳光纤，构成M-Z 干涉型传感器，其折射率灵敏度达到18897nm/RIU ，并通过进一步将干涉仪制成灵巧型尖端式结构，将灵敏度提升到24373nm/RIU ，温度灵敏度仅为5 pm/°C 。理论分析表明其传感特性由群双折射色散决定，可通过对光纤截面的椭圆度和和直径的优化实现灵敏度的提升。 （2）级联长周期光栅微纳光纤传感器。通过用CO 2激光器在微纳光纤上构成级联长周期光栅，感测灵敏度达到2227nm/RIU ，温度灵敏度为11.7 pm/°C ，并通过理论计算指出，通过进一步降低光纤直径到 3.5μm 左右时，由于瞬逝场作用的增强和模式色散因子的降低，感测灵敏度有望达到40000nm/RIU 左右。 （3）单锥结构的微纳光纤干涉型传感器。在光纤熔融拉锥过程中，通过减小过渡区长度，可激发微纳光纤中的高阶模式，并基于单个锥区实现干涉仪结构。这种结构制作方法简便，锥区总长度更短，本文还将介绍我们在这方面的最新结果。 CO 2 Laser L d =9.5μm 73.5 μm d Λ 图1左图：基于高双折射微纳光纤环镜结构的传感器原理图及实物图；右图：基于级联微纳光纤长周期光栅的干涉型传感器原理图及实物图。
光纤水听器原理与发展现状 袁虎邓华秋 （华南理工大学物理系广州510640） 摘要光纤水听器由于其特有的抗电磁干扰、体积小等特点，在军事、民用方面有着广泛应用。本文简介了光纤水听器的基本原理，并分别对强度调制型、干涉型和光栅型光纤水听器进行了简单的介绍。在现在的光纤水听器的应用中，点式的传感已不能满足现在的大规模集成化要求，因此分布式光纤水听器也是近期的研究热点。文中介绍了两种分布式光纤水听器的技术方案，分别是OTDR和FMCW技术。与此同时由于光纤激光器的发展，其良好的单色性和稳定性可以用于优良的光源，把它用到干涉型光纤水听器中可以极大程度的提高光纤水听器的性能。 关键词：光纤水听器；FMCW；光纤激光器 1.光纤水听器简介 声波作为一种机械波，可以在海水中进行远程能量传递，而其他类型的能量场在水中衰减很快，因此，声波是海洋深层信息收集、传递和处理的最重要形式[1]。水声传感器简称水听器，是在水中侦听声场信号的仪器。它作为反潜声纳的核心部件，在军事领域中有着重要的应用；在工业生产和民用领域，也有着广泛的用途，如用于海洋石油和天然气的勘探、地震预测、水声物理研究、海洋气候以及渔业等众多方面。 早期的水听器主要有压电陶瓷制成的压电水听器。但随着应用的深入，基于压电陶瓷传感元件的水听器出现了许多不足之处。如对电磁场的敏感性，电缆负载、连接电缆的共振效应，同时利用压电陶瓷进行点传感的技术难度和成本也十分困难。正是由于传统压电式水听器存在这些问题，随着光纤和激光技术的发展，人们研制出了一种基于光纤光电子技术的新型水听器-光纤水听器。它的研究始于冷战时期，由于反潜战的需要，美国海军开始了光纤水听器的研究。[2,3]1977年布卡诺等人发表首篇关于光纤技术的水声传感系统的论文[4]。 光纤水听器由于传感头部分不用使用电，而是通过光来传输信号，所以具有抗电磁干扰、电绝缘、动态范围宽、稳定可靠性高、灵敏度不受水流静压力和频率的影响、可以进行远距离测量、探头体积小、方便构成大规模阵列等众多优点。所以，光纤水听器的研究越来越受到各国的重视[4]。 2.光纤水听器原理
光纤传感器的应用研 究
光纤传感器的应用研究 孙义才 2011301510103 电科三班 摘要：光纤传感技术是一门新的科学技术，也是信息社会的一个重要技术基础，在当代高科技中占有十分重要的位置。该技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术和密集型前沿技术。本课题主要了解光纤导光的基本原理及其在传感技术上应用的物理基础，重点研究光纤传感器敏感的物理量、光纤传感器的基本类型及其相关应用。 关键词：传感器；光纤通信；禁带宽度；光纤传感温度计；光纤传感压强计。 1.序言 光纤传感技术是二十世纪七十年代左右随着光纤通信技术的萌芽而迅速建立起来的，通过以光波这一载体并光纤这一媒质，起到具有感知与信号传输的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。传感技术是近几年热门的应用技术，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智慧化的方向发展。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。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。 现阶段，光纤传感领域在世界中的发展大致分为两大方面：应用开发与相关原理性研究。 2.1光纤传感器的结构原理 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。
Wenglor（威格勒）光纤传感器调整使用说明（中文）1.控制 1.1控制面板 01.状态指示 02.污染报警 07.选择开关 24.加按钮 25.减按钮 2.调整 2.1延迟接通和延迟断开 调整延迟接通和延迟断开
调整延迟接通调整延迟断开 设置旋转选择器开关(07)在延迟接通设置旋转选择器开关(07)延迟断开激活加号按钮(24) 。。。延迟增加10 ms 激活负按钮(25) 。。。延迟减少10 ms 设置旋转选择器开关(07)来运行 2.2选择常闭或常开功能 设置旋转选择器开关(07)在常闭/常开（PNP / NPN型） 激活加号按钮(24) NC是选定的(常闭/暗开关) ---加号按钮(24)点亮 ---激活负按钮(24) NO是被选中(常开/光开关) ---减去按钮(24)点亮 设置旋转选择器开关(07)来运行 2.3选择PNP / NPN 模式 设置旋转选择器开关(07)NC/NO PNP / NPN模式 激活加号按钮(24)为5秒 ---加号按钮(24)和负按钮(25)闪烁 释放加号按钮(24) 激活加号按钮(24) ---加号按钮(24)点亮 ---PNP型设置 激活负按钮(25) ---减去按钮(25)点亮 ----NPN型设置 同时激活加号按钮(24)和负按钮(25) 加号按钮(24)和负按钮(25)点亮 Push-pull setting 设置旋转选择器开关(07)来运行
2.4设置开关距离与电位计 设置旋转选择器开关(07)电位计 激活加号按钮(24) ---开关距离增加 激活负按钮(25) ---开关距离减少 加减按钮上的LED的亮度指示加减的程度、相对应的的按钮越亮，感应距离越大,反之亦然。如果最大值或最小值传感距离被选中相应的按钮会闪烁。 设置旋转选择器开关(07)来运行 2.5用自学习功能设置开关距离 用自学习功能设置理想的开关感应距离 2.5.1标准模式 设置旋转选择器开关(70) ----红色LED(02)点亮 适当放置目标对象 激活加号按钮(24) ---加号按钮(24)点亮 激活加号按钮(24)再次* ---加号按钮(24)不再是明亮的 设置旋转选择器开关(07)来运行 *如果在40秒内第二个按钮没有被操作,自学习过程被取消并不保存任何设置
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
文章编号:100320794(2004)0820009202 光纤传感器的应用和发展 马天兵,杜 菲 (安徽理工大学,安徽淮南232001) 摘要:主要阐述了光纤传感器的原理、特点及国内外的发展情况,介绍了在实际测量中的一些具体应用。提出了我国光纤传感器存在的问题,指出了今后发展的方向,为光纤传感器的深入研究提供了有益的参考。 关键词:光纤传感器;测量精度;传感技术 中图号:T N253文献标识码:A 1 前言 自20世纪70年代以来,光纤传感器取得了飞速发展。由于它独特的优点,决定了可实现某些特殊条件下的测量工作,比常规检测技术具有诸多优势,是传感技术发展的一个主导方向。光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势。光纤传感器产业已被国内外公认为最具有发展前途的高新技术产业之一,它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。 2 光纤传感器的原理 光纤传感器通常由光源、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成。众所周知,描述光波特征的参量很多(如光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等)。这些参量在光纤传输中都可能会受外界影响而发生改变,特别如温度、压力、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、弯曲、应变以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时,都会使这些参量发生相应变化。光纤传感器就是根据这些参量随外界因素的变化关系来检测各相应物理量的大小。 光纤传感器与传统传感器相比有其独特的优点,即非接触式测量、抗干扰力强、灵敏度高、体积小、重量轻、柔性好,而且测量对象广泛。因此,在传感器行业中,光纤传感器越来越显示出它的优势。它将替代传统的机械接触式传感器及电容非接触式传感器。机械接触式传感器磨损被测表面,这就限制了测量精度。电容非接触式传感器的抗电磁干扰力差,使得其实用范围受到限制。 3 国内外光纤传感器的发展概况 由于光纤传感器应用的广泛性及其广阔的市场,其研究和开发在世界范围内引起了高度的重视,各国家更是竟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,研究和开发主要包括:水下探测的光纤传感器、用于航空监测的光纤传感器、光纤陀螺、用于核辐射检测的光纤传感器等。这些研究都分别由美国空军、海军、陆军和国家宇航局(NAS A)的有关部门负责,并得到许多大公司的资助。美国也是最早将光纤传感器用于民用领域的国家。如运用光纤传感器监测电力系统的电流、电压、温度等重要参数,监测桥梁和重要建筑物的应力变化,检测肉类和食品的细菌和病毒等。日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光纤传感器的研究与开发。日本在20世纪80年代便制定了“光控系统应用计划”,该计划旨在将光纤传感器用于大型电厂,以解决强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中的信息测量、传输和生产过程的控制。20世纪90年代,由东芝、日本电气等15家公司和研究机构,研究开发出12种具有一流水平的民用光纤传感器。西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光纤传感器的研发和市场竞争,其中包括英国的标准电讯公司、法国的汤姆逊公司和德国的西门子公司等。 我国在20世纪70年代末就开始了光纤传感器的研究,其起步时间与国际相差不远。目前,已有上百个单位在这一领域开展工作,如清华大学、华中理工大学、武汉理工大学、重庆大学、核工业总公司九院、电子工业部1426所等。他们在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移计等领域进行了大量的研究,取得了上百项科研成果,其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值,有的达到世界先进水平。每年发表的论文、申请的专利也不少。但与发达国家相比,我国的研究水平还有不小的差距,主要表现在商品化和产业化方面,大多数品种仍处于实验室研制阶段,不能投入批量生产和工程化应用。 4 光纤传感器的应用 光纤传感器的应用范围很广,几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活,尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用,解决了许多行业多年 ? 9 ? 2004年第8期 煤 矿 机 械