第12章光纤传感器

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精品文档-传感器原理及应用(郭爱芳)-第12章

第12章智能传感器图12.2 DTP型智能式压力传感器的结构
第12章智能传感器
12.2.1 基本传感器 1. 传感器的主要技术要求 (1) 具有将被测量转换为后续电路可用信号的功能； (2) 转换范围与被测量实际变化范围一致，转换精度符
合在整个系统的总精度要求下而分配给传感器的精度指标(一般应优于系统精度的十倍左右)，转换速度应符合整机要求；
分析与处理功能，可完成非线性、温度、噪声、响应时间以及零点漂移等误差的自动修正或补偿，提高测量准确度；
(2) 自校准、自诊断功能：实时进行系统的自检和故障诊断，在接通电源时进行开机自检，在工作中进行运行自检，自动校准工作状态，自行诊断故障部位，提高工作可靠性；
(3) 自适应、自调整功能：根据待测量的数值大小和工作条件的变化情况，自动调整检测量程、测量方式、供电情况、与上位机的数据传送速率等，提高检测适应性；
(4) 电源引起的失调：电源电压变化1%所引起放大器的漂移电压值。一般数据采集系统的前置放大器常用稳压电源供电，该指标是设计稳压电源的主要依据。
第12章智能传感器
1. 仪用放大器仪用放大器常采用三运放对称结构且具有较高的输入阻抗和共模抑制比的单片集成放大器，只需外接一个电阻即可设定增益，如美国BB(Burr Brown)公司生产的INA114, 美国 AD(Analog Devies)公司生产的AD521、AD524、AD8221等。 INA114是一种通用的仪用放大器，尺寸小、精度高、价格低廉，可用于电桥、热电偶、数据采集以及医疗仪器等，其内部电路如图12.3所示。
(3) 满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电(或耗电少)等；

光电光纤传感器原理应用培训资料

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国际上，如欧姆龙光纤传感器其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。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。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术；比较容易实现，成本低。灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。欧姆龙光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。
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1、因反射体中使用了棱镜，所以与通用的反射型光控传感器器相比，其检测性能更高、更可靠 2 、与分离式光控传感器相比，电路连接更简单容易。 3、子母扣嵌入式的设计，安装更为简单 4、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； 5、可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；
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3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，导致光的光学性质发生变化，称为被调制的信号光，再利用被测量对光的传输特性施加的影响，完成测量。
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4分类
根据光纤在传感器中的作用可以分为：一类是功能型（Functional Fiber，缩写为FF)传感器，又称为传感型传感器；另一类是非功能型（Non Functional Fiber缩写为NFF)，又称为传光型传感器；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；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；。

光纤传感器ppt讲解可修改文字

NA n12 n22
n n 1为纤芯折射率， 2 为包层折射率
arcsinNA是一个临界角，
θ> arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；
θ< arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。
数值孔径的意义是无论光源发射功率有多大，只有2 张角之内的光被
光纤接受传播。一般希望光纤有大的数值孔径，这样有利于耦合效率的提高。但数值孔径越大，光信号将产生大的“模色散”，入射光能分布在多个模式中，各模式速度不同，因此到达光纤远端的时间不同，信号将发生严重的畸
非功能型光纤传感器
传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。
三介绍几种光纤传感器
1，光纤压力传感器
Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。
6 光纤传感器的类型
光纤传感器按其作用方式一般分为两种类型：一功能型光纤传感器，二非功能型光纤传感器。
功能型光纤传感器
这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。
（3）传输损耗
由于光纤纤芯材料的吸收、散射、光纤弯曲处的辐射损耗等的影响，光信号在光纤中的传播不可避免地要有损耗，光纤的传输损耗A可用下式表示
-10 lg I0
A=
I
L
式中 L ——光纤的长度 I0——光纤入射端的光强 I——光纤输出端的光强

传感器原理与应用课程标准

传感器原理与应用课程标准《传感器原理与应用》课程标准课程名称：传感器原理与应用适用专业：电子信息工程专业计划学时：54课程编号：物理b03112第一部分课程概述一、课程的性质本课程是高等职业技术学校“电子电气技术应用类”专业的一门重要的专业核心课程，其专业性、实践性很强，是本专业学生必修的综合技术应用课程之一。

其主要包括传感器的认识、结构原理和使用方法，并在此基础上分别介绍常用传感器应用技术及实用电路的分析与设计。

所选的电路具有设计新颖、结构合理、性能优良和实用性强等特点。

通过本课程的自学和技能训练，并使学生能够重新认识传感器，介绍测量基本原理，认知各种传感器展开非电量电测的方法，掌控传感器的基本结构和采用方法。

初步具有新颖传感器的应用领域和电路制作技能，并介绍适当的测量切换电路、信号处理电路的原理及各种传感器在工业中的应用领域。

先修的课程：高等数学、电路、模拟电路。

二、课程的基本理念本课程贯彻“以就业为导向，以能力为本位”的职教思想，以学生将来从事的职业岗位群所需要的相关知识和基本技能为依据，以项目课程为主体的模块化专业课程体系，它突破了学科为中心的课程体系，减少理论推导，重点突出应用。

将学科内容按“项目”进行整合，在内容安排上也是由简到繁，逐步深入，已应用性教学为主，注重增强学生的能力。

三、课程的设计思路本课程讲解的内容以实用为主，原理分析通俗易懂。

各章节中典型传感器应用电路的分析和测试，融合常用传感器的基本知识。

课程内容包含了传感器检测若干个项目，每个项目又分为若干个典型工作任务，每个任务将相关知识和实践实验进行有机的结合，突出实际应用，减少理论推导，注重培养学生的实际应用能力和分析解决问题的实际工作能力。

据本课程的教学目标，以各种测量手段为主线，传感器的应用贯穿课程整个内容，让学生在用什么、学什么、会什么的过程中，逐步掌握专业技能和相关专业知识，培养学生的实际操作能力。

由于本课程与实际联系紧密，理论教学和实践实验训练有机结合，对学生的成绩评定应采用新的评价方式。

光纤传感器ppt

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;就可测量温度或压力等
第12章光纤传感器
反射式光纤位移传感器
➢ 利用光纤实现无接触位移测量光源经一束多股光纤将光信号传送至端部;并照射到被测物体上另一束光纤接受反射的光信号;并通过光纤传送到光敏元件上被测物体与光纤间距离变化;反射到接受光纤上;光通量发生变化再通过光电传感器检测出距离的变化
温度压力光纤传感器
✓ 中心——纤芯；
✓ 外层——包层；
包层
✓ 护套——尼龙料
性质
✓ 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质;
✓ 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2N1＞N2
第12章光纤传感器
1光纤的结构和传输原理 ②光纤的传光原理：光纤的传播基于光的全反射当光线以不同角度入射到光纤端面时;在端面发生折射后进入光纤；光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时;光线
第12章光纤传感器
2光纤的性能几个重要参数 ③传播损耗A
➢ 光纤在传播时;由于材料的吸收散射和弯曲处的辐射损耗影响;不可避免的要有损耗
用衰减率A表示：
A10lg(I1/I2)(dB/Km) l
I1 I2：两接收光纤的光强在一根衰减率为10dB/Km的光纤中;表示当光纤传输
1Km后;光强下降到入射时的1/10
干涉现象微小弯曲损失
散射损失
双波长透射率变化
反射角变化
石英系玻璃旋转圆盘
石英系玻璃石英系玻璃薄膜+膜条 C45H78O2+VL2255N
振子
薄膜
生成着色中心
光纤束成像多波长传输非线性光学

光纤传感器介绍

2019/10/1
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光纤的基本知识
1966年，英籍华裔学者高锟（Charles K. Kao）发表了关于传输介质新概念的论文《光频率介质纤维表面波导》，指出了利用光纤（Optical Fiber）进行信息传输的可能性和技术途径，并指明通过“原材料提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向，他奠定了现代光通信——光纤通信的基础。
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光纤传感器的发展
20世纪90年代后期，光通信带动下的光子产业取得了巨大的成功，光纤传感器呈产业化发展，在国际上形成了许多应用领域，即医学和生物、电力工业、化学和环境、军事和职能结构、石油行业、汽车行业、船舶、航空航天等领域。
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光纤传感器的发展
传感器（Sensor，Transducer）是完成信息获取（检测）、传输和转换的器件。光纤传感器（Optical Fiber Sensor）则是以光纤作为功能材料的传感器。
相位（干涉）
相位（干涉）
光纤类型多模梯度光纤
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光纤传感器的分类——波长调制型
类型
波长调制
方
式
利用热色物质的颜色变化进行波长调制
利用荧光光谱变化进行波长调制
利用黑体辐射进行波长调制
利用滤光器参数变化进行波长调制
利用棱镜光栅进行波长调制
利用被测物自身吸收特性进行波长调制
主要应用 pH值测量、温度测量温度测量温度测量气体浓度传感器位移分色计气体成分传感器
波长调制光纤传感器主要是利用传感探头的光频谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。此类传感器多为非功能型传感器。
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中南大学传感与检测光电光纤和红外传感器

在光照射下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，也叫光电发射效应。其中，向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。
光子是具有能量的粒子，每个光子的能量E=h，其中， h=6.626×10-34J·s，是普朗克常数；是光的频率(s-1)。
波长3m（即3000nm）以下的称近红外线
波长超过3m 的红外线称为远红外线。
光谱分布如下图所示。
中南大学传感与检测光电光纤和红外传感器
12.1 光电式传感器
12.1.1 概述
1）光谱
0.01
波长/m
0.05 极远紫外
0.1
0.5 1
外远外近可见光近红外紫紫
5 10 远红外
频率/Hz 3×1018
LED的典型光谱特性：
如图，GaAsP的曲线有两根，其材质成分差异敏相导致不同峰值波长(p)度。对
1. .8 .6
p决定发光颜色，峰灵 .4
GaP
p=565nm
GaAsP GaAs
p=670nm p=950nm
GaAsP
p=655nm
宽()决定光的色彩纯 .2
度，越小，光色越中纯南大。学传感0与检测光60电0光纤和7红00
中南大学传感与检测光电光纤和红外传感器
12.1 光电式传感器
12.1.2 光电效应
1）外光电效应根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，
要使一个电子从物体表面逸出，光子能量必须大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。光电子的产生取决于其能量是否大于物体的表面电子逸出功。不同物质有不同的逸出功，即每种物质都有其对应的光频阈值，称为“红限”频率或波长限。

光纤传感器及其应用技术

和民用两大应用领域，其中包括：国土安全防卫系统、大型构件的健康诊断系统、电力工业的安全检测系统以及用于石油化工、生物医学和环境等领域的光纤检测系统。我国虽然早已园世纪苑园年代末期开始了光纤传感技术的研究工作，于圆但是由于受到制造工艺、器件和配园年，套电子技术的制约，一直未能进入大规模工程应用阶段。直到最近员随着光纤技术的
光纤传感器及其应用技术
黎敏摇廖延彪摇编著
武汉大学出版社
内容简介
作为现代传感技术的重要分支，光纤传感技术在许多领域具有替代传统传感器、弥补传感领域空白的先天优势。本教材以光纤传感器为核心，着重详细讨论了强度调制型、相位调制型、波长调制型和偏振态调制型四大类型传感器以及分布式光纤传感器的原理、技术 — —网络技术和封装技术；和设计方法；有选择地介绍了光纤传感的两项核心技术 — 首次将光 — —聚合物光纤传感器、纤传感最新研究方向新材料光纤传感器 — 光子晶体光纤传感器以及微米和纳米光电传感器纳入教材。教材内容覆盖了光纤传感领域的方方面面，特别是对传感器的讨论细致、深入，并列举了大量的应用设计实例。由于有教学科研的相辅相长，对学科最新技术和进展的介绍全面、贴近工程应用实际。可作为电子信息类相关专业的教材，同时对相关领域的科研及实际工作者了解学科的前沿动态、启发创新思维有较高的参考价值。
摇摇员援源援缘摇光调制器 ………………………………………………………………………… 源猿摇摇员援缘援员摇光纤传感器的定义和分类 ……………………………………………………… 源苑摇摇员援缘援圆摇光纤传感器的特点 ……………………………………………………………… 源愿摇习题与思考 ………………………………………………………………………………… 源愿园第圆章摇强度调制型光纤传感器 …………………………………………………………… 缘摇圆援员摇摇强度调制传感原理 ………………………………………………………………… 缘园摇员援缘摇摇光纤传感器的定义、苑分类及特点 ………………………………………………… 源

自动生产线装配与调试知到章节答案智慧树2023年安徽机电职业技术学院

自动生产线装配与调试知到章节测试答案智慧树2023年最新安徽机电职业技术学院第一章测试1.自动化生产线简称自动线，是在连续流水线基础上进一步发展形成的，是一种先进的生产组织形式，它由工件传送系统和控制系统组成，能实现产品生产过程自动化的一种机器体系。

（）参考答案:对2.自动生产线技术主要包括（）、触摸屏技术、网络通信技术、伺服技术和工业机器人技术。

参考答案:ABC3.YL-335B自动生产线装置有五个工作站，即自动供料单元、加工单元、装配单元、分拣单元、机械手搬运单元等工作站。

（）参考答案:对4.现代化的自动生产设备自动生产线的最大特点是它的[综合性]和系统性。

（）参考答案:对5.YL-335B自动生产线装置各站有独立的电源系统、控制单元、PLC模块。

（）参考答案:对第二章测试1.双电控电磁控制阀的两个电控信号不能同时为“1”（）参考答案:对2.（）属于气动系统的控制元件。

参考答案:安全阀3.电磁换向阀的阀芯工作位置变换是通过（）控制实现的。

参考答案:电磁4.减压阀旋钮左旋（逆时针）调节时，其输出口压力（）参考答案:降低5.气动系统中气动三联件安装顺序是分水滤气器、减压阀、油雾器。

（）参考答案:对第三章测试1.气源装置给系统提供足够清洁干燥且具有一定压力和流量的压缩空气。

（）参考答案:对2.按照接收器接收光的方式不同，光电接近开关类型有（）。

参考答案:反射式;慢射式;对射式3.光电接近开关有三根输出线，其中黑色线是信号输出线，接PLC（）端子。

参考答案:输入4.电感接近开关当有（）物体靠近时，会检测到信号。

参考答案:金属5.光纤传感器可以检测物体的颜色。

（）参考答案:对第四章测试1.PLC在运行时有五个工作阶段。

（）参考答案:对2.定时器定时时间长短取决于定时器的时基。

（）参考答案:对3.S7-200PLC可提供3种计数器，分别是CTU、CTD、CTUD。

（）参考答案:对4.M是哪个存储器的标示符（）。

光纤传感器

光纤传感器
光纤传感器
1 光纤传感器基础
1.2
2 光调制与解调技术
4.4
3 光纤传感器实例
2
光纤传感器
第一节光纤传感器基础
➢ 光纤有很多的优点，用它制成的光纤传感器（FOS）与常规传感器相比也有很多特点：抗电磁干扰能力强、高灵敏度、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单、以及与光纤传输线路相容等。
光纤传感器
2.1 强度调制与解调
光纤传感器中光强度调制是被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方式。光强度变化可以直接用光电探测器进行检测。
解调过程主要考虑的是信噪比是否能满足测量精度的要求。
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光纤传感器
几种常用的光强调制技术
1.微弯效应
微弯损耗强度调制器的原理如图。当垂直于光纤轴线的应力使光纤发生弯曲时，传输光有一部分会泄漏到包层中去。
光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器(Function Fiber Optic Sensor)，又称 FF型光纤传感器；另一类是非功能传感器(NonFunction Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传感器。前者是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器；后者是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器。
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光纤传感器
六.光纤传感器的发展趋势
光纤传感器具有很多的优点，是对以电为基础的传统传感器的革命性变革，发展前景是极其光明的。但是，目前光纤传感器的成本较高,在这方面仍面临着传统传感器的挑战，存在着与传统传感器和其它新型传感器的竞争问题。为此，有必要说明光纤传感器的可能发展趋势： ① 当前应以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象。 ② 集成化光纤传感器。 ③ 多功能全光纤控制系统。 ④ 充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测系统。 ⑤ 开辟新领域。

光纤传感器课件PPT学习教案

由圆柱形内芯和包层组成而且内芯的折射率由圆柱形内芯和包层组成而且内芯的折射率nn11略大于包层的折射率略大于包层的折射率nn22通常直径为几微米到几百微米通常直径为几微米到几百微米911光纤波导原理光纤的结构光纤的结构包层涂覆层护套光的反射折射光的反射折射当一束光线以一定的入射角从介质1射到与介质2的分界面上时一部分能量反射回原介质
非功能型：利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅做为光的传输介质。所以也称为传光型传感器．或混合型传感器。
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a类：功能型FF
b类：非功能型 NF
C类：拾光型NF
(a) 功能型（全光纤型）光纤传感器
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。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。
光纤式光电开关应用
出射光纤
遮断型光纤光电开关
接收光纤
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光纤式光电开关应用
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采用遮断型光纤光电开关对 IC 芯片引脚进行检测
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三、光纤传感器的特点
灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可桡性、可实现不带电的全光型探头
频带宽动态范围大可用很相近的技术基础构成测不同物理量的传感器便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测和控制可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环应境用结：构磁简、单声、、体压积力小、、温重度量、轻加、速耗度能、少陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。
光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播的两种平面波成分。后者在纤芯和包层的界面上会产生全反射。当它在横向往返一次的相位变化为2π的整数倍时，将形成驻波。形成驻波的光线组称为模。

光纤传感器原理及应用ppt课件

• 1977年，美国海军研究所(NRL-National Novel Research Laboratory)开始执行光纤传感器系统计划
光纤传感器问世
• 1983年起，国际光纤传感器会议定期召开，光纤传感器的研究成为世界研究热点
• 各个发达国家都做了大量的研究工作，具体如下：
美国
FOSS(Fiber Optic Sensor System) —光纤传感器系统：水声器、磁强计和其它有关的水下检测设备
• 灵敏度高，抗电磁干扰，耐腐蚀，防爆。 • 无源器件，不干扰被测场。 • 结构简单，体积小，重量轻。 • 便于和计算机连接，可以实现分布式传感和遥测
技术:在整个光纤长度上能连续的获得被测量的响应，传统的几百个点传感器阵列可以用一条光纤取代。 • 频带宽，动态范围大。 • 几何形状具有多方面的适用性，便于组合系统，可以组成任意形状的FOS或FOS阵列，并且可与计算机连接，实现多功能及智能化。
光纤传感器的基本构成
外界参量
光光纤信号光纤光探
源
调制
测器
信号处理
光源：LD,LED,白炽灯，激光器等信号调制：待测参量引起光信号强度、波长、频率、
相位或偏振态的变化。光探测器：PIN,APD,CCD,光电池等。信号处理：电路、计算机、单片机，计算机系统等。
2.光纤传感器的分类
• 按照传感原理进行划分
2.传感器系统
• 从单一传感器的研究进入到传感器系统的研究，并与微处理机相结合形成光纤遥测系统。
3.提高可靠性和稳定性
• 降低成本。 • 特殊光纤：根据实际需要选用新的
材料，设计特殊结构的专用光纤。 • 对基础技作。
• non-resonant wavelengths are transmitted through the device without loss.

光纤传感器专题知识

第12章光纤传感器
（1）光纤旳构造和传播原理 ①光纤构造：
基本采用石英玻璃，有不同掺杂，主要由三部分构成中心——纤芯；外层——包层；护套——尼龙料。 • 光导纤维旳导光能力取决于纤芯和包层旳性质， • 纤芯折射率N1略不小于包层折射率N2（N1＞
N2）。
第12章光纤传感器
（1）光纤旳构造和传播原理 ②光纤旳传光原理：
• 被测物体逐渐远离光纤时接受光纤照亮旳区域B2越来越大；
• 当整个接受光纤被照亮时，输出曲线到达光峰值；
• 被测体继续远离时部分光线被反射光信号减弱，曲线下降。
第12章光纤传感器反射式光纤位移传感器
第12章光纤传感器
反射式光纤位移传感器
讨论：
• 前坡区—— 输出信号旳强度增长紧，位移输出曲线有很好旳线性关系，可进行小位移测量；
传光型光纤传感器旳光纤只看成传播光旳媒介，待测对象旳调制功能是由其他光电转换元件实现旳，光纤旳状态是不连续旳，光纤只起传光作用。
第12章光纤传感器
光纤温度传感器
➢ 利用半导体材料旳能量隙随温度几乎成线性变化。敏感元件是一种半导体光吸收器，光纤用来传播信号。当光源旳光强度经光纤到达半导体薄片时，透过薄片旳光强受温度旳调制温度T升高，材料吸收光波长向长波移动，半导体薄片透过旳光强度变化。
第12章光纤传感器
马赫——泽德干涉仪 ➢ 分束器1把激光器旳输出光束提成两部分，经上、下光路旳传播后又重新合路，使其在光检测器处相互干涉。这种干涉仪敏捷度，可精确到10-13nm 。但实
现非常困难，限制在试验室工作。
第12章光纤传感器
光纤干涉传感器，几公里光路对光纤是轻易实现旳。 ➢ 在光源和检测器之间，干涉仪只含光纤元件，换

光纤传感器基本原理推选PPT资料

触式测温技术。物体的热辐射能量随温度提高而增加。对于理想“黑体”辐射源发射的光谱能量可用热辐射的基本定律之一普朗克(Planck)公式表述：
E 0 (,T ) C 1 3 (e c 2/T 1 ) 1
E0(λ,T)是“黑体”发射的光谱辐射通量密度，T是黑体绝对温度。
光纤黑体探测技术就是以黑体做探头，利用光纤传输热辐射波，不怕电磁场干扰，质量轻．灵敏度高，体积小，探头可以做到0.1mm。
压强P的关系可表达为
对于双轴晶体，主折射率
；
E 光纤、激光器、探测器是构成光纤传感器的主要部件，其特性的好坏对光纤传感器的灵敏度影响极大。
光纤传感器对光源-激光器的一般要求是:有一定的功率输出、输出的偏振相干性要好、寿命长。
偏振噪声的出现，是由于不同模式的波传播常数不同，导致模间的脉冲形成。
其工作原理是基于稀土磷光体的磷光光谱随温度变化而改变。
在物目体前的研热制辐的射各能类量传随感温器度中提，高用而增He加-N。e气体激光器式做光中源,的φ比是较多晶。体中两正交平面偏振光的相位差：
在波长(颜色)调制光纤探头中，光纤只是简单地
2n U/(纵)向 E0(λ,T)是“黑体”发射的光谱辐射通量密度，T是黑体绝对温度。
3
保法持拉单第模旋光转纤是偏非振互状易态的的光稳学定过十程分：重平要面，偏这振样光做一的次结通果过，法可拉使第灵材敏料度转提过高角几度个θ，数而量沿级相。反方向0返回4 时将1再旋转θ0角。
n U• l (横向 ) 其对例工于如作理，原想对理 “于是黑人基体体于 ”血稀辐气土射的磷源分光发析体射，的的pH磷光值光谱检光能测谱量，随可指温用示度热剂变辐溶化射液而的浓改基度变本的。定化律学之分一析普，朗磷克光(和Pla荧nc光k)现公象式分表0析3述，：c黑体辐射分析，法布里-珀罗滤光器等。 0 d

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（2）光纤的性能（几个重要参数） ①数值孔径（NA）
➢ 临界入射角θc的正弦函数定义为光纤的数值孔径.
NA
sin c
1 N0
N12
N
2 2
空气中： NA
N12
N
2 2
(N1 N2 )
第12章光纤传感器
NA意义讨论：
NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2θc张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。
不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。
光波之间的干涉产生的强度分布也不同。➢ 模式值定义为：V 2 Nhomakorabea(NA) 0
式中：α为纤芯半径；
0为入射波长。
第12章光纤传感器 ②光纤模式
第12章光纤传感器
模式讨论：模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传
播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号分不同时间到达多个信号，导致合成信号畸变。模式值V小，就是α值小，即纤芯直径小，只能传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。
第12章光纤传感器
• 玻璃光纤 • 塑料光纤
（1）光纤的结构和传输原理
• 石英光纤
①光纤结构：
保护套
基本采用石英玻璃，
纤芯
有不同掺杂，主要
由三部分组成
✓ 中心——纤芯；
✓ 外层——包层；
包层
✓ 护套——尼龙料。
性质
✓ 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，
✓ 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2（N1＞N2）。
图3 拾光型光纤传感器工作原理示意图
第12章光纤传感器
(4) 光纤传感器组成
光源：要求体积小、功率大、波长合适、工作稳定 ✓相干光：半导体激光器等 ✓非相干光：发光二极管、白织灯等
探测器（光电探测器是光电检测中不可缺少的器件，把光信号转变为电信号）：灵敏度好、响应快、线性好 ✓光电二极管、光电倍增管 ✓光敏电阻、光电池
输1Km后，光强下降到入射时的1/10。
第12章光纤传感器
(3) 光纤传感器的基本测量原理
(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。
(精度
2%)
磁致伸缩效应
68碳莫合金
最小检测磁场强度8×10-5A/m2(1～10kHz)
法拉第效应 YIG
FR-5铅玻璃
磁场强度0.08～160A/m (精度0.5%)
Pockels效应
亚硝基苯胺
-
电致伸缩效应
陶瓷振子压电元件
-
Pockels效应 LiNbO3,LiTaO3Bi12SiO20
电压1～1000V电场强度0.1～ 1kV/cm (精度1%)
第12章光纤传感器
（1）光纤的结构和传输原理 ②光纤的传光原理：光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时，光线
全部反射。只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射
向前传播，最后从另一端面射出。
光纤
(4) 光纤传感器分类
• 功能型光纤传感器（Function Fiber Optic Sensor)，又称FF型光纤传感器） – 光纤不仅起传光作用，而且是敏感元件 – 更高的灵敏度 – 调整困难
• 非功能型光纤传感器（Non-Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传感器） – 光纤仅起传光作用 – 灵敏度、测量精度较低 – 有一种传感探针型光纤传感器
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。
图2 结构型光纤传感器工作原理示意图
(3) 拾光型光纤传感器原理用光纤作为探头，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。
第12章光纤传感器
为保证全反射，必须满足全反射条件（即θ＜θc）实现全反射的临界入射角为：
c
arcsin(
1 N0
N12
N
2 2
)
空气中 N0 1
c arcsin( N12 N22 )
❖ 可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（N1、N2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。
第12章光纤传感器
(1) 物性型光纤传感器原理
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，就可测量温度或压力等。
(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）
一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。
产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA，石英光纤的数值孔径一般为：
NA 0.2 0.4
第12章光纤传感器
（2）光纤的性能（几个重要参数） ②光纤模式（V）
➢ 光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，
被测物测量理量方式
电流 FF 磁场
NF
电压 FF 电场
NF
FF
FF 温度
NF
光的调制
偏振
相位
偏振偏振相位
偏振相位光强偏振开口数断路断路
透射率光强
光学现象
材料
特性性能
电流50～1200A
法拉第效应
石英系玻璃铅系玻璃
(精度0.24%) 磁场强度0.8～4800A/m
第12章光纤传感器
（2）光纤的性能（几个重要参数） ③传播损耗（A）
➢ 光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲处的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗。
用衰减率A表示：
A 10 lg(I1 / I2 ) (dB / Km) l
I1、I2：两接收光纤的光强在一根衰减率为10dB/Km的光纤中，表示当光纤传