光纤传感器

光纤传感器光纤传感器技术在现代科技领域中扮演着重要的角色。

本文将介绍光纤传感器的原理、应用领域以及未来发展趋势。

光纤传感器是一种利用光纤输送光信号并将其转换为传感信号的装置。

其工作原理基于光纤的光学特性，利用光的传输和反射来检测物理量的变化。

光纤传感器可以实现高灵敏度、高分辨率、快速响应和远程感知等特点，因此在许多领域得到广泛应用。

一种常见的光纤传感器类型是光纤光栅传感器。

光纤光栅传感器利用光栅的干涉效应来实现对物理量的测量。

光栅是将光纤纤芯中周期性的折射率变化引入的装置，在光的传播过程中形成干涉。

当光栅受到外界物理量的作用时，其折射率发生变化，从而引起干涉的变化，进而实现对物理量的检测。

光纤传感器的应用领域非常广泛，其中之一是环境监测领域。

光纤传感器可以用于测量温度、湿度、压力等环境参数，用于监测大气污染、水质污染、土壤质量等环境指标。

通过将光纤传感器网络部署在不同地点，可以实现对环境状况的实时连续监测，为环境保护提供重要数据支持。

另外，光纤传感器在基础设施安全领域也起着关键作用。

例如，光纤传感器可以应用于石油管道、天然气管道、电力输电线路等重要设施的监测和安全保护。

通过光纤传感器可以实现对温度、压力、振动等参数的监测，及时发现异常情况并采取措施，避免事故的发生。

光纤传感器还在医疗领域发挥着重要作用。

例如，在手术中，医生可以使用光纤传感器来监测患者的生命体征，如心率、血压等，并及时作出反应。

此外，光纤传感器还可以用于光学成像，如光纤内窥镜等，帮助医生进行精确的病灶检测和治疗。

未来，光纤传感器技术有望进一步发展。

一方面，随着光纤技术的不断革新，光纤传感器的性能将得到进一步提升。

例如，光纤传感器的灵敏度和分辨率将更高，响应速度将更快，从而满足更多领域对传感器的需求。

另一方面，光纤传感器的应用范围也将不断扩大，如在机器人技术、智能交通、航空航天等领域的应用都将成为可能。

这些发展将进一步推动光纤传感器技术的应用和创新。

什么是光纤传感器_光纤传感器分类
光纤传感器简介光纤最早是应用于光的传输，适合长距离传递信息，是现代信息社会光纤通信的基石。

光波在光纤中传播的特征参量会因外界因素的作用而间接或直接地发生变化，由此光纤传感器就能分析探测这些物理量、化学量和生物量的变化。

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入调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使入射光的某些光学性质（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。

光纤传感器的分类光纤传感器按结构类型可分两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能性（传光型）传感器。

（1）功能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）作为传感元件，对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。

光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，多采用多模光纤。

优点：结构紧凑，灵敏度高。

缺点：须用特殊光纤，成本高。

典型应用：光纤陀螺、光纤水听器等。

（2）非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。

光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上被测量调制。

优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。

缺点：灵敏度较低。

实用化的大都是非功能型的光纤传感器根据被调制的光波的性质参数不同，这两类光纤传。

光纤传感器1.背景介绍光(导)纤(维)是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地(领域)。

光纤的出现产生了光纤通信技术，特别是光纤在有线通信广的优势越来越突出，它为人类21世纪的通信基础一——信息高速公路奠定了基础，为多媒体(符号、数字、语音、图形和动态图像)通信提供了实现的必需条件。

由于光纤只有许多新的特性，所以不仅在通信方面，而且在其他方面也提出了许多新的应用方法。

例如，把待测量与光纤内的导光联系起来就形成光纤传感器。

光纤传感器始于1977年，经过20余年的研究，光纤传感器取得了十分重要的进展，目前正进入研究和实用并存的阶段。

它对军事、航天航空技术和生命科学等的发展起着十分重要的作用。

随着新兴学科的交叉渗透，它将会出现更广阔的应用前景。

2. 光纤和光纤传感器结构2.1 光纤结构：光纤结构十分简单，它是一种多层介质结构的圆柱体，圆柱体由纤芯、包层和护层组成。

纤芯材料的主体是二氧化硅或塑料，制成根细的圆柱体，其直径在5～75μm内。

有时在主体材料中掺人极微量的其他材料如二氧化锗或五氧化二磷等，以便提高的折射率。

围绕纤芯的是一层圆柱形套层(包层)，包层可以是单层，也可以是多层结构，层数取决于光纤的应用场所，但总直径控制在100～200μm范围内。

包层材料一船为SiO2，也有的掺人极微量的三氧化二硼或四氧化硅。

与纤芯掺杂的目的不同，包层掺杂的目的是为了降低其对光的折射率。

包层外面还更涂一些涂料，其作用是保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。

光纤最外层是一层塑料保护管，其颜色用以区分光缆中各种不同的光纤。

光缆是内多根光纤组成。

并在光纤间填入阻水油膏以此保证光缆传光性能。

光缆主要用于光纤通信。

我们知道，光纤是利用光的内全反射规律，将入射光传递到另一端的。

它的具体结构和传光原理已在《光纤通信基础》课程中作过详细介绍，本课程不再重复。

按光纤的传输模式分类单模光纤多模光纤以特定角度射入光纤的光才能在光纤内传播，这些光波就称为模。

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，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。

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。

工作原理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，再经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。

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；根据光是否发生干涉可分为：干涉型和非干涉型；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：一类是功能型传感器，又称为传感型传感器；另一类是非功能型，又称为传光型传感器。

一、功能型传感器功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件, 被测量对光纤内传输的光进行调制, 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化, 再通过对被调制过的信号进行解调, 从而得出被测信号。

光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。

优点：结构紧凑、灵敏度高。

缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等二、非功能型传感器非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化, 光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。

光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。

光纤传感器传感器在朝着灵敏、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。

光纤具有很多优异的性能，例如：具有抗电磁和原子辐射干扰的性能，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、偏振态等）发生变化，成为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。

1.光纤的结构2.光纤的传光原理3.光纤传感器工作原理（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。

湖北工业大学易天亮光纤传感器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，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。

1) 反映传感器静态特性的性能指标静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系。

主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

(1) 线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。

(2) 灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。

其定义为输出量的增量Δy 与引起该增量的相应输入量增量Δx 之比。

它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，显然，灵敏度S 值越大，表示传感器越灵敏.(3) 迟滞：传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。

也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。

(4) 重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。

(5) 漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。

产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境(如温度、湿度等)。

最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出量的变化，温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。

温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度(一般为20℃)时的输出值的变化量与温度变化量之比(6) 测量范围(measuring range)传感器所能测量到的最小输入量与最大输入量之间的范围称为传感器的测量范围。

(7) 量程(span)传感器测量范围的上限值与下限值的代数差，称为量程。

(8) 精度(accuracy)传感器的精度是指测量结果的可靠程度，是测量中各类误差的综合反映，测量误差越小，传感器的精度越高。

光纤传感器光纤传感器概述光纤作为远距离传输光波信号的媒质，最初的研究是用于光通信技术中。

用于传感器技术始于1977年，至今光纤传感器已日趋成熟。

光纤传感器与传统的传感器相比具有许多优点：灵敏度高、电绝缘性能好、结构简单、体积小、重量轻、不受电磁干扰、光路可弯曲、便于实现遥测、耐腐蚀、耐高温等特点。

可广泛用于位移、速度、加速度、压力、温度、液位、流量、水声、电流、磁场、放射性射线等物理量测量，发展极为迅速，在制造业、军事、航天、航空、航海和其他科学技术研究中有着广泛的应用。

光纤传感器一般由光源、光纤、光电元件等组成。

根据光纤传感器的用途和光纤的类型，对光源一般要提出功率和调制的要求。

常用的光源有激光二极管和发光二极管。

激光二极管具有亮度高，易调制，尺寸小等优点。

而发光二极管具有结构简单和温度对发射功率影响小等优点。

除此之外，还有采用白炽灯等作光源。

1.结构光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。

光纤的结构如图所示，它由折射率n1较大(光密介质)的纤芯，和折射率n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。

2.分类按照光从纤芯到包层的折射率的变化规律，光纤可分为阶跃型、渐变型和单模型三种。

按照光的作用分类1）物性型（功能型）光纤传感器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。

2）结构型（非功能型）光纤传感器结构型光纤传感器是由光检测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。

3）拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。

其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。

根据光受被测对象的调制形式1）强度调制型光纤传感器是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。

有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。