HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY 物理实验报告 实验题目：光纤传感器的设计 姓名： 物理实验教学中心
实 验 报 告 一、实验题目：光纤传感器的设计 二、实验目的： 1.了解光纤传感器设计实验系统的基本构造和原理及应用； 2.了解光纤传感器设计实验系统的补偿机理，验证补偿效果； 3.设计光纤位移传感器，给出定标曲线。 三、实验仪器： 光纤传感设计实验系统主机、三光纤补偿式传感探头、精密机械调节架。 四、实验原理（原理图、公式推导和文字说明）： 图1 在纤端出射光场的远场区，为简便计，可用接收光纤端面中心点处的光强来作为整个纤芯面上的平均光强。在这种近似下，得到在接收光纤终端所探测到的光强公式为 2 022(,)exp[](2)(2) SI d I x d x x πωω=?- （1） 考虑到光纤的本征损耗，光纤所接收到的反射光强可进一步表示为 00(,)(,)I x d I K KRf x d = 式中 I 0——注入光源光纤的光强； K 0，K ——光源光纤和反射接收光纤的本征损耗系数； R ——反射器的反射系数；
d ——两光纤的间距； f (x ,d )——反射式特性调制函数。结合式(1)，f (x ,d )由下式给出，即 22 022(,)exp[](2)(2) a d f x d x x πωω=?- 其中 3/2 00 ()[1()] x x a a ωξ =+ 为了避免光源起伏和光纤损耗变化等因素所带来的影响。采用了双路接收的主动补偿方式可有效地补偿光源强度的变化、反射体反射率的变化以及光纤损耗等因素所带来的影响。补偿式光纤传感器的结构由图1给出。由（1）式可知 1002 00(,)(,) (,2)(,2)I x d I K KRf x d I x d I K KRf x d =?? =? 则两路接收光纤接收光强之比为 ]) 2()2(exp[22 221x d d I I ω--= 通过实验建立两路接收光强的比值与位移的关系（标定）后，即可实现补 偿式位移测量。
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
2016-2021年中国光纤传感器市场深度调查分析及发展趋势研究报告 报告编号:1675509 行业市场研究属于企业战略研究范畴,作为当前应用最为广泛的咨询服务,其研究成果以报告形式呈现,通常包含以下内容:
一份专业的行业研究报告, 注重指导企业或投资者了解该行业整体发展态势及经济运行状况,旨在为企业或投资者提供方向性的思路和参考。 一份有价值的行业研究报告,可以完成对行业系统、完整的调研分析工作,使决策者在阅读完行业研究报告后,能够清楚地了解该行业市场现状和发展前景趋势,确保了决策方向的正确性和科学性。 中国产业调研网 https://www.doczj.com/doc/e316793897.html, 基于多年来对客户需求的深入了解, 全面系统地研究了该行业市场现状及发展前景, 注重信息的时效性, 从而更好地把握市场变化和行业发展趋势。 一、基本信息 报告名称:2016-2021年中国光纤传感器市场深度调查分析及发展趋势研究报告 报告编号:1675509←咨询时,请说明此编号。 优惠价:￥ 7650 元可开具增值税专用发票
网上阅 读:https://www.doczj.com/doc/e316793897.html,/R_JiXieDianZi/09/GuangXianChuanGanQiWeiLaiFaZhanQ uShi.html 温馨提示:如需英文、日文等其他语言版本,请与我们联系。 二、内容介绍 光纤传感器是以光学量转换为基础,以光信号为变换和传输的载体,利用光导纤维输送光信号的一种传感器。光纤传感器主要由光源、光导纤维、光检测器和附加装置等组成。光源种类很多, 常用光源有钨丝灯、激光器和发光二极管等。光纤很细、较柔软、可弯曲,是一种透明的能导光的纤维。 光纤之所以能进行光信息的传输,是因为利用了光学上的全反射原理,即入射角大于全反射的临界角的光都能在纤芯和包层的界面上发生全反射, 反射光仍以同样的角度向对面的界面入射,这样,光将在光纤的界面之间反复地发生全反射而进行传输。附加装置主要是一些机械部件,它随被测参数的种类和测量方法而变化。 《 2016-2021年中国光纤传感器市场深度调查分析及发展趋势研究报告》在多年光纤传感器行业研究的基础上,结合中国光纤传感器行业市场的发展现状,通过资深研究团队对光纤传感器市场资讯进行整理分析, 并依托国家权威数据资源和长期市场监测的数据库,对光纤传感器行业进行了全面、细致的调研分析。 中国产业调研网发布的《 2016-2021年中国光纤传感器市场深度调查分析及发展趋势研究报告》可以帮助投资者准确把握光纤传感器行业的市场现状,为投资者进行投资作出光纤传感器行业前景预判,挖掘光纤传感器行业投资价值,同时提出光纤传感器行业投资策略、营销策略等方面的建议。 正文目录 第一章光纤传感器产业概述 1.1 光纤传感器定义及产品技术参数
常用的五类光纤传感器基本原理解析 根据被调制的光波的性质参数不同，这两类光纤传感器都可再分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振态调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。 1）强度调制型光纤传感器 基本原理是待测物理量引起光纤中传输光光强的变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量。恒定光源发出的强度为I的光注入传感头，在传感头内，光在被测信号的作用下其强度发生了变化，即受到了外场的调制，使得输出光强的包络线与被测信号的形状一样，光电探测器测出的输出电流也作同样的调制，信号处理电路再检测出调制信号，就得到了被测信号。 这类传感器的优点是结构简单、成本低、容易实现，因此开发应用的比较早，现在已经成功的应用在位移、压力、表面粗糙度、加速度、间隙、力、液位、振动、辐射等的测量。强度调制的方式很多，大致可分为反射式强度调制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸收系数强度调制等等。一般反射式强度调制、透射式强度调制、折射率强度调制称为外调制式，光模式称为内调制式。但是由于原理的限制，它易受光源波动和连接器损耗变化等的影响，因此这种传感器只能用于干扰源较小的场合。 2）相位调制型光纤传感器 基本原理是：在被测能量场的作用下，光纤内的光波的相位发生变化，再用干涉测量技术将相位的变化转换成光强的变化，从而检测到待测的物理量。相位调制型光纤传感器的优点是具有极高的灵敏度，动态测量范围大，同时响应速度也快，其缺点是对光源要求比较高同时对检测系统的精密度要求也比较高，因此成本相应较高。 目前主要的应用领域为：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；利用赛格纳克效应的旋转角速度传感器(光纤陀螺)等。
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。因为它们都是基于光纤，所以有很多共同的特点，比如抗电磁干扰可应用于恶劣环境(没有加入电磁过程)，传输距离长（光纤中光衰减慢），使用寿命长，结构小巧等等，这里就不再赘述。我们将重点讨论他们的不同。 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F BG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。 响应频率 响应频率更多的取决于网络的设计与滤波解调设备的响应速度。FBG需要一个高性能的解调解复用接收端，接收端的处理能力往往会影响到其响应频率。FP和荧光式因其相对简单，响应频率一般可以得到保证。 光源 根据上文的讨论，FBG对光源的要求相当高，需要大功率宽带光源或可调谐光源。而FP和荧光式的要求则要低得多，这得益于FP有较强的反射信号，及荧光式的光源仅需起到激发荧光的作用即可。 灵活性与适用范围
“光纤传感器原理及应用”课程报告分布式光纤温度测量 姓名： 班级： 学号： 2015年6月15日
摘要 温度是度量物体冷热程度的物理量，许多物理现象和化学过程都是在一定温度下进行，人们的日常生活也和温度密切相关。随着科学技术的迅猛发展，对温度的测量也提出了更多更高的要求。以电信号为工作基础的传统的温度传感器，如热电偶、热敏电阻、热释电探测器等温度传感器的发展已经非常成熟，但在有强电磁干扰或易燃易爆的场合下，基于电信号测量的传统温度传感器便受到很大的限制。光纤温度传感与测量技术是仪器仪表领域重要的发展方向之一。由于光纤具有体积小、重量轻、可挠、电绝缘性好、柔性弯曲、耐腐蚀、测量范围大、灵敏度高等特点，对传统的传感器特别是温度传感器能起到扩展提高的作用，完成前者很难完成甚至不能完成的任务。光纤传感技术用于温度测量，除了具有以上特点外，与传统的温度测量仪器相比，还具有响应快、频带宽、防爆、防燃、抗电磁干扰等特点。 关键词温度传感器光纤温度传感器
第一章绪论 在科研和工程技术中，有许多场合需要确定温度的分布, 例如长距离输油管道、通信电缆或电力电缆等管道的沿线温度场分布，大型电力变压器内部的温度场分布等。传统的电温度传感器不能工作在强电磁环境中，也不宜在易燃、易爆环境或腐蚀性环境中工作，对于采用点式温度传感器实现温度的分布测量还存在难于安装、难于布线、难于维护的问题。分布式光纤温度传感器可实现沿光纤连续分布的温度场的分布式测量，测试用光纤的跨距可达几十千米，空间分辨率高、误差小，与单点、多点准分布测量相比具有较高的性格比。 1.1背景意义 分布式光纤温度传感器与传统的温度传感器相比具有以下优点：集传感与传输于一体，可实现远距离测量与监控，一次测定就可以获取整个光纤区域的一维分布图，能在一条长达数千米的传感器光纤环路上获得几十、几百甚至几千条信息，因此单位信息成本大大降低，测量范围宽，具有高空间分辨率和高精度。在具有强电磁干扰或易燃易爆以及其它传感器无法接近的环境下，分布式光纤温度传感器具有无可比拟的优点。为了实现在整个连续光纤的长度上实时传感出温度随光纤长度方向的变化信息，尤其对大范围的温度分布，分布式光纤温度传感器逐渐成为研究的热点。分布式光纤传感器从最初提出的基于OTDR的瑞利散射系统开始，经历了基于OTDR的喇曼散射系统和基于OTDR的布里渊散射系统，使得测温精度和范围大幅提高。光频域反射技术（OFDR）的提出也很早，但近几年，伴随着喇曼散射和布里渊散射以及强散射的研究的深入，使得基于OTDR和OFDR 的分布式光纤温度传感器显示出很大的优越性，但它们离工业实用化还有很长的一段距离。基于OTDR和OFDR的分布式温度光纤传感器仍将是研究的热点，尤其是基于OFDR的新型分布式光纤传感器将是一个重要的发展方向。伴随着分布式光纤温度传感器的发展，温度测试范围和精度不断提高，对信号处理算法和技术提出了更高的要求。 1.2 分布式光纤温度传感器的发展现状 光纤自20世纪60年代问世以来，就已应用于传递图像和检测技术等各种领域。随着光通讯的应用，光纤工艺和技术得到了迅速的发展。光纤传感技术是伴随着光导纤维及光通讯技术的发展而逐步形成的。在光通讯系统中，光纤用作远距离传输光波信号的媒质，但是，在实际光传输过程中，光纤易受外界环境因素
光纤传感器的工程应用及发展趋势 摘要：对光纤传感器的应用概况进行了详细综述，总结比较了几种成熟的光纤传感器的优缺点。针对隧道的具体应用，提出了一套点面结合的综合技术解决方案。指出了目前光纤传感器在工程应用上急需解决的一些问题及其发展趋势。 关键词：光纤传感器；光纤光栅；安全监测 一．引言 近年来公路交通基础建设迅速发展，隧道和桥梁工程的建设规模大，环境条件复杂，建设速度快，所以对其长期运行的安全性必须进行在线监测，才能有效预防安全事故的发生，避免造成生命和财产的重大损失。公路隧道和桥梁的地质灾害不仅影响公路交通的安全，造成生命和财产的损失，而且影响经济的快速稳定发展。公路隧道和桥梁发生的灾害主要包括隧道局部的坍塌、渗漏以及火灾，桥梁局部裂缝、崩塌等。传感技术是这些工程安全监测的基础和支柱。而随着工程难度和环境条件日趋复杂，传统的传感技术已愈来愈显示出它的局限性，如抗干扰能力和抗恶劣环境能力差，长期稳定性差，难以实现现场非电、大容量、远程分布式、数字化监测等。光纤传感技术正是在这种背景下，自20世纪70年代初诞生以来，就受到了世界范围内的广泛重视，并取得了持续和快速的发展，成为这些大型工程安全监测的首选传感器。因此，近年来光纤传感器逐渐的代替了电阻应变片传感器，在大型土木工程中获得了广泛的应用[1-4]。 二．应用与发展概况 1989年美国布朗大学的Mendez 等人[5]首先提出了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测的可能性。之后，美国、加拿大、英国、德国、日本、瑞士等国，纷纷将光纤传感技术应用于桥梁等建筑物的安全监测。加拿大卡尔加附近的Beddington Trail 大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一，16 个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上,对桥梁结构进行长期监测。1999 年夏, 在美国新墨西哥Las Cruces 10 号州际高速公路的一座钢结构桥梁上，安装了120 个光纤光栅传感器，创造了当时在一座桥梁上使用光纤光栅传感器最多的纪录。德国的GFZ Potsdam 开发的光纤光栅应变传感器用于探测岩石构成和岩石工程(包括隧道、洞穴、坑道、深层地基)的静态和动态应变，开发的光纤光栅地震成像系统用于地下煤矿坑道的安全监测等等。欧洲的STABILOS 计划中开发的光纤光栅传感系统用于对瑞士Mont-Terri 隧道和矿井主梁的长期静态位移监测等。近年来，以加拿大渥太华大学和瑞士联邦工学院为代表的分布式布里渊光纤传感技术(BOTDA/BOTDR)成为研究的热点，广泛
传感器的工作原理及应用 ————光纤传感器 光纤传感器具有灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、光路可弯曲、便于使用线遥测、耐腐蚀、耐高温、体积小、质量轻等优点，可广泛用于位移、速度、加速度、压力、漏寓、液位、流量、水声、电流、磁场、放射性射线等物理量的测量，在制造业、军事、航天、航空、航海和其他科学研究中有着广泛的应用。 一、光纤传感器的基本工作原理 光纤传感器是一种将被测对象那个的状态转变为可测的光信号的传感器。其工作原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制器，在调制器内与外界参数的相互作用，使光的光学性质，如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光器件、经解调器后获得被测参数。在整个过程中光束经由光纤导入，经过调制器后再射出。其中光纤的作用首先是传输光束，其次是起到光调制器的作用。 二、光纤传感器的应用 激光多普勒光纤流速测量系统 设激光光源频率为0f 经分束器分成两束光，其中被声光调制器调制成频率为01f f -的一束光射入探测器中，另一束频率为0f 的光经 光纤射到被测物体流中。例如当血液里的红血球以速度v 运动时，根据多普勒效应，其反射光的光谱产生频率为0f f ±?的光，他与01f f -的光在光电探测器中混频后，形成1f f ±?的振荡信号，通过测量f ?便可
以换算出血流速度v 。声光调制频率一般取40z MH 。在频率分析仪上 除有40z MH 的调整频率的一个峰外还有移动的f ?次峰，根据次峰可以确定血流等流体的速度。 光纤传感器涡轮流量计 涡轮流量计通过内磁式传感器检测涡轮的转速而实现流量测量，是一种广泛的流量测量仪表。随着光纤传感器技术的发展可以将反射型光纤传感器与传统的涡轮流量测量原理相结合，制造出具有双光纤传感器的涡轮流量计。与传统的内磁式涡轮流量计相比，光纤传感器涡轮流量计具备正反流量测量的性能。在检测原理上，光纤传感器克服了由内磁式传感器的磁性引力带来的影响，有效地扩大了涡轮流量计的量程比。光纤传感器涡轮流量计就是对涡轮流量进行改进，使其叶片端面适宜反射光线，利用反射型光纤传感器及光电转换电路检测涡轮叶片的旋转，从而测量出流量的。反射型光纤传感器一般采用多模玻璃光纤，单根芯纤的直径为200m μ，孔径为0.3m 。反射型光纤传感
光纤传感器的三大要素 光纤传感器的原理： 在如今科学技术飞速发展的社会，光纤传感器的发展技术也是很受重视的，光纤传感器在各行业中的应用也不错，今天小编收集和整理了一些有关于光纤传感器的基本知识，希望大家都能好好的浏览以下的内容。光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测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、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，再过利用被测量对光的传输特性施加的影响，完成测量。（1）功能型——利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成（2）传光型——光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化。光纤传感器的测量原理有两种。（1）物性型光纤传感器原理，物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测
物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界参数(温度、压力、振动等)引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压等。（2）结构型光纤传感器原理，结构型光纤传感器是由光检测元件(敏感元件)与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。 光纤传感器的特点一。灵敏度较高；二。几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；三。可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；四。可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；五。而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。光纤传感器的优点是与传统的各类传感器相比，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，具有光纤及光学测量的特点，有一系列独特的优点。电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，非侵入性，高灵敏度，容易实现对被测信号的远距离监控，耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接。传感器朝着灵敏、精确、适应性强、小
液位检测光纤传感器系 统设计 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】
北京化工大学 检测技术及仪器 题目：液位检测光纤传感器系统设计 专业：测控技术与仪器 班级：测控1303 姓名：孙应贵 学号： 1检测系统构成 光纤液位传感器的结构如图所示传感器的主要组成部分有：双膜盒光纤位移探头和防水支撑结构。双膜盒是水压变化的敏感组件膜盒中央为光滑平面近似反射平面，为提高反射光强度可以在膜盒中央粘贴一个小反射镜水压变化时双膜盒的1个膜片均发生形变 : 状态。在实验装置中，光纤采用多光束光纤。光纤分布呈半圆状、投射光纤输出端和接受光纤接收端纤芯直径为1mm膜盒内部为低真空状态。测量时调整探头位置，将探头
位置设置在输出特性曲线中较为灵敏的位置上。当水面升高引起压力增加时，膜盒压缩、间隔增大,若压力减小时，膜盒膨胀，间隔减小。 光纤液位传感器的系统框如图3所示。主要包括：光纤位移探头、双膜盒检测器、 LED的光功率进行控制. 由脉冲发生模块产生较为稳定的脉冲信号通过比较放大模块和激光管驱动电路驱动 LD背向光检测器接收的光功率并将其转化为电信号。此信号通过调理电路处理后送到比较放大模块，与脉冲信号进行比较放大，并再次送入激光管驱动电路，完成对LD 光功率的稳定控制，使LD的光功率在一个很小的范围内波动。 激光器的驱动电路采用射极偏置电路。它是交流放大电路中最常见的一种基本电路。电路设计如图5所示。 信号调理电路 信号调理电路包括光电流的ＩＶ及前置放大电路（图７）．带通滤波电路真值转换电路和后置放大电路．从出射光纤接受的信号中含有背景光噪声．经过前置放大后，需要从其中得到可用信号．所以在前置放大后需要带通滤波电路将其中有用信号提取出来．考虑到前置放大器工作的稳定性，放大器的电流电压转换系数不宜太大．在光信号较弱的情况下，前置输出的信号较小．因此，调理电路中的带通滤波器采用带增益的有源滤波器．如图８所示．
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
文章编号:10044736(2004)02006304 光纤传感器的应用及发展 杨春曦,胡中功3,戴克中 (武汉化工学院电气信息工程学院,湖北武汉430073) 摘 要:简要介绍了光纤传感器的特点,综述了光纤传感器的发展以及近期国际上光纤传感器的研究和应用情况,最后描述了其前景和主要研究方向. 关键词:光纤传感器;应用;光纤布拉格光栅;温度测量中图分类号:TQ 174.75+9 文献标识码:A 收稿日期:20031013 作者简介:杨春曦(1976),男,贵州铜仁人,硕士研究生.3通讯联系人. 0 引 言 光纤传感器的历史可追溯到上世纪70年代, 那时,人们开始意识到光纤不仅具有传光特性,且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础,无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来.1977年,美国海军研究所(N RL )开始执行由查尔斯?M ?戴维斯(Charles M .D avis )博士主持的Fo ss (光纤传感器系统)计划[1],这被认为是光纤传感器问世的日子.从这以后,光纤传感器在世界的许多实验室里出现.由于其具有常规传感器所无法比拟的优点和广阔的发展前景,很多国家不遗余力地加大对光纤传感器的研究力度,也涌现出许多成果[2].但它仍存在诸如价格昂贵、技术不够成熟等瓶颈,这使得它在工程上的应用较少.最近涌现的很多成果无论是在价位上还是技术上都有了新的突破.随着新方法、新工艺不断被引入,大量低价位高性能光纤传感器面世,而光纤与其他学科理论相结合,不仅使光纤传感器在信号检测精度、传输减损、信号处理方面有了很大的提高,而且其应用领域也越加广阔.本文简要地介绍了光纤传感器的特点,并对光纤传感器近期的发展动态进行简要地概述. 1 光纤传感器的特点 光纤传感器由光源、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.如当温度、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,均会使这 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.一般光纤传感器按其作用不同可分为两种类型:传光型和敏感型.而按其检测方法不同主要又可分为两种类型:强度型和相位型.图1是光纤传感器的结构框图 . 图1 光纤传感器的结构框图 F ig .1 Structu ral diagram of fiber op tic sen so r 与传统的传感器相比,光纤传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、耐腐蚀、本质安全及测量对象广泛等特点,而且在一定条件下可任意弯曲,可根据被测对象的情况选择不同的检测方法,再加上它对被测介质影响小,非常有利于在医药卫生等具有复杂环境的领域中应用. 2 光纤传感器在研究和工程中的应 用近况 2.1 光纤传感器的工程应用 光纤的优点和具体学科理论相结合,产生一大批应用范围更广、性能更好、价格相对低廉的各具特色的光纤传感器,在传统领域和新兴领域都得到很好的应用. 2.1.1 光纤传感器在化学和生物学中的应用 当前,在国外研究得比较多的化学和生物光纤传感器主要有光吸收型传感器,荧光型传感器和衰减波形光纤传感器三种. a .光吸收型传感器的工作原理是根据测定被测物对特定波长的光产生吸收以及吸收的强度来确 第26卷第2期 武 汉 化 工 学 院 学 报 V o l .26 N o.22004年6月 J. W uhan In st . Chem. T ech . Jun. 2004
光纤传感器技术简介 摘要：光纤传感器技术经过二十多年的研发阶段，已经步入了实用阶段。光纤传感器特有的优点以及广泛的种类使其具备了替代传统传感器的能力。通过环境变量对光纤中传输光束强度、相位、偏振、光谱等光学特性的调制，使光纤传感器能够在远距离监控恶劣环境中系统的温度、应力、电流等不同的物理量。光纤在这个过程中同时起到了信号传感和传输的作用。光纤传感技术在工业，生物，工程，智能结构，人居生活等方面都有广阔的应用前景。本文旨在为读者介绍光纤传感器技术和它的一些应用领域。 关键词： 光纤传感器; 调制型光纤传感器; 分布式传感器; 传感器的应用 An Introduction to Fiber Optic Sensor Technology Liu Wj Abstract: The technology of fiber optic sensor has entered the stage of practical application after the past decades’ development. Fiber optic sensors, with their unique advantages and a wide range of types, have the ability to displace traditional sensors. Fiber optic sensor technology offers the possibility of sensing different parameters like strain, temperature, pressure in harsh environment and remote locations. These kinds of sensors modulate some features of the light wave in an optical fiber such an intensity and phase or use optical fiber as a medium for transmitting the measurement information. This paper is an introduction to fiber optic sensor technology and some of the applications that make this branch of optic technology, which is still in its early infancy, an interesting field. Key words: Fiber optic sensors; modulation based fiber optic sensors; distributed sensors; sensor applications 0引言 光电子学和光纤通信的进步带来了许多新的产业的革命，光纤不仅可以作为一种传输介质，同时也可以用来设计传感系统。利用光纤作为传感元件，或者通过光纤来和传感元件联系的技术都包含在光纤传感器技术的范畴内，光纤传感器技术现在已经是光纤技术中的一个重要分支。光纤质量轻、体积小、电绝缘、耐高温、多参量测量、抗电磁干扰能力强。同时光纤具有传光特性，无需其他介质就能把待测量值与光纤内光特性变化联系起来，集信息传感和传输与一体，容易组成光纤传感网络。这些都使它拥有了其它电子传感器件不具备的优势。
实验二十六 光纤位移传感器测位移特性实验 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：光纤传感器是利用光纤的特性研制而成的传感器。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。 光纤传感器主要分为两类：功能型光纤传感器及非功能型光纤传感器(也称为物性型和结构型)。功能型光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤，构成“传”和“感”合为一体的传感器。这里光纤不仅起传光的作用，而且还起敏感作用。工作时利用检测量去改变描述光束的一些基本参数，如光的强度、相位、偏振、频率等，它们的改变反映了被测量的变化。由于对光信号的检测通常使用光电二极管等光电元件，所以光的那些参数的变化，最终都要被光接收器接收并被转换成光强度及相位的变化。这些变化经信号处理后，就可得到被测的物理量。应用光纤传感器的这种特性可以实现力，压力、温度等物理参数的测量。非功能型光纤传感器主要是利用光纤对光的传输作用，由其他敏感元件与光纤信息传输回路组成测试系统，光纤在此仅起传输作用。 本实验采用的是传光型光纤位移传感器，它由两束光纤混合后，组成Y 形光纤，半园分布即双D 分布，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d ，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，如图26—1所示。 发射光 接收光 (a)光纤测位移工作原理 (b)Y 形光纤 图26—1 Y 形光纤测位移工作原理图 传光型光纤传感器位移量测是根据传送光纤之光场与受讯光纤交叉地方视景做决定。当
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。
北京化工大学 检测技术及仪器 题目：液位检测光纤传感器系统设计 专业：测控技术与仪器 班级：测控1303 姓名：孙应贵 学号：2013014071 1检测系统构成 光纤液位传感器的结构如图所示传感器的主要组成部分有：双膜盒光纤位移探头和防水支撑
结构。双膜盒是水压变化的敏感组件膜盒中央为光滑平面近似反射平面，为提高反射光强度可以在膜盒中央粘贴一个小反射镜水压变化时双膜盒的1个膜片均发生形变在一定的水压范围内膜盒中央的位移形变量与水压的变化量成正比通过光纤位移探头测量膜盒中央的位移形变量实现对水压室水压的测量从而得知水面高度变化量。 2光纤位移探头输出特性分析 在系统中需要确定水压传感装置的工作点:即确定光纤探头端面和膜盒反射面的间隔。首先需要测得光纤位移探头的输出特性曲线图。图表明在波峰前端有一段线性度较好的区间，线性区的中点对应探头端面离反射面约1.25mm处选择该点作为系统的工作点确定初始状态。在实验装置中，光纤采用多光束光纤。光纤分布呈半圆状、投射光纤输出端和接受光纤接收端纤芯直径为1mm膜盒内部为低真空状态。测量时调整探头位置，将探头位置设置在输出特性曲线中较为灵敏的位置上。当水面升高引起压力增加时，膜盒压缩、间隔增大,若压力减小时，膜盒膨胀，间隔减小。 光纤液位传感器的系统框如图3所示。主要包括：光纤位移探头、双膜盒检测器、光电探测器、前置放大器、带通滤波器、真有效值转换和后置放大器等。 3电路系统设计 3.1稳光强激光调制系统 由于系统采用单接收光纤。光源的稳定成为整个系统稳定工作的重要环节。为此，系统设计了较为精密的稳光强电路（图4）。光源系统采用负反馈方式对LED的光功率进行控制. 由脉冲发生模块产生较为稳定的脉冲信号通过比较放大模块和激光管驱动电路驱动LD 背向光检测器接收的光功率并将其转化为电信号。此信号通过调理电路处理后送到比较放大