第七章 光纤传感检测技术

光纤传感技术
光纤传感技术是一个非常重要的技术，它的应用已经遍及到了信息技术，生物技术，环境监测等多个领域。

在传感技术方面，光纤传感技术作为一种非常重要的技术，可以有效地对物体、环境和流体进行监测和测试。

光纤传感技术是一种利用传感光纤和光纤芯片技术来监测和测
试环境、物体和流体等信息的技术。

简而言之，光纤传感技术就是利用光纤把信息从一个地方传送到另一个地方。

光纤传感技术有独特的优势，使得它在传感器技术领域具有非常重要的地位。

首先，光纤传感技术具有良好的性能。

光纤传感器的传输距离可以达到数公里，而且信号可以传输很远，谐振频率的宽度更大，在一定的传输距离内具有更高的精度。

其次，光纤传感器具有非常好的稳定性，产生的信号极小，而且对外界环境变化不敏感，这使得光纤传感器更容易实现测量精度。

此外，光纤传感技术具有体积小、重量轻的优势，使它特别适合在各种紧凑的应用中使用。

例如，当在恶劣的环境中测量物体的运动时，一般使用光纤传感技术，它能够很好地抵抗高温和强电场等环境条件，不会对系统产生任何影响。

另外，光纤传感器作为一种新型的传感技术，具有不可替代的优势，可以有效提高系统的测量精度、体积和功率消耗等。

最后，光纤传感技术在获取环境信息方面具有优势，它不仅能够更好地传输信息，而且还能够更准确地传输信息。

光纤传感技术目前在信息技术、环境监测、生物技术等领域应用越来越广泛，并发挥着越来越重要的作用。

在未来，光纤传感技术将在传感技术领域发挥更大的作用。

它的应用不仅能够帮助社会更好、更安全地生活，而且还能带来革命性的发展，为人们提供更完美的服务。

物理实验技术中的光纤传感与测量方法光纤传感与测量方法在物理实验技术中扮演着重要角色。

它广泛应用于各种测量场合，包括温度、压力、强度、溶液浓度等物理量的测量。

光纤传感不仅具有高精度、高灵敏度和高分辨率的特点，而且还可以实现远距离、分布式和实时监测。

接下来，我们将深入探讨光纤传感与测量方法在物理实验中的应用。

首先，光纤传感技术在温度测量中发挥着重要作用。

传统的温度传感器在测量过程中会受到外界环境影响以及电磁干扰的干扰，这不可避免地会降低测量的精度和稳定性。

而光纤传感器通过将传感元件与光纤相连接，利用光纤的高稳定性和低传热性质，可以减小温度的测量误差。

此外，光纤传感器还可以实现分布式温度测量，即可以同时测量多个位置的温度，非常适用于复杂环境下的温度监测。

其次，光纤传感与测量方法在压力测量方面也有广泛应用。

传统的压力传感器通常采用电阻应变片、电感式传感器等方法进行测量，这些传感器存在尺寸大、响应速度慢、易受电磁干扰等问题。

而光纤传感器通过在光纤中引入光栅技术或光纤干涉技术，可以实现高精度、高灵敏度的压力测量。

光纤传感器还可以应用于高温和强电磁场等特殊环境下的压力监测。

在强度测量方面，光纤传感技术也具有独特优势。

传统的强度传感器通常使用光电二极管或光敏电阻等方法进行测量，这些传感器在测量过程中易受到环境光干扰和电磁干扰的影响。

而光纤传感器通过将传感元件与光纤相结合，可以实现对光强度的高精度测量。

光纤传感器还可以实现实时监测和远距离传输，非常适用于光通信中的强度测量。

此外，光纤传感与测量方法还可应用于溶液浓度的测量。

传统的溶液浓度测量方法通常使用电化学方法或光学方法，这些方法存在仪器复杂、测量精度低、测量范围窄等问题。

而光纤传感器通过将传感元件与光纤相连接，可以实现对溶液浓度的高精度测量。

光纤传感器还可以实现对多种溶液浓度的联合测量，非常适用于生物医学和化学分析等领域。

总之，光纤传感与测量方法在物理实验技术中有着广泛的应用。

光纤传感原理与检测技术“哇，这光纤传感到底是啥玩意儿啊？”我嘴里嘟囔着。

嘿，你知道吗？光纤传感可神奇啦！就好像一个超级侦探，能发现好多我们平常看不到的东西。

咱先说说这光纤传感的原理结构吧。

它就像一个小巧的魔法盒子，里面有好多关键部件呢。

有光源，就像一个小太阳，发出亮亮的光。

还有光纤，那就是光走的小路啦，又细又长。

还有探测器，就像一个小眼睛，能看到光带来的信息。

这些部件都有自己的功能哦。

光源负责发光，光纤把光传送到各个地方，探测器就接收光传回来的信号，然后告诉我们发生了啥。

那它的主要技术和工作原理是啥呢？哎呀，这就像一场奇妙的光的旅行。

光从光源出发，沿着光纤跑啊跑。

当遇到一些情况的时候，光就会发生变化。

比如说，温度变了，光的颜色或者强度可能就不一样了。

探测器就会发现这些变化，然后我们就能知道周围的环境有啥变化啦。

现在说说它的应用场景吧。

有一天，我和爸爸妈妈去公园玩。

我看到一个叔叔在检查公园里的路灯。

他拿着一个小盒子，上面有好多线。

我好奇地问：“叔叔，你这是在干嘛呀？”叔叔笑着说：“这是用光纤传感技术检查路灯呢。

如果路灯坏了，这个小盒子就能马上发现。

”我惊呆了，这也太厉害了吧！光纤传感还能在很多地方用呢，比如检测桥梁是不是安全，就像给桥梁做了一个全身检查。

还能检测地下的管道有没有问题，就像给管道找毛病的小医生。

你想想，要是没有光纤传感，我们可能都不知道什么时候路灯坏了，什么时候桥梁有危险，什么时候管道出问题。

那可多吓人啊！所以说，光纤传感真的很重要。

我觉得光纤传感就像一个神奇的魔法棒，能让我们的生活变得更安全、更美好。

第7 章光纤传感技术光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体, 光纤为介质,感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。

在低损耗光纤问世不久的20世纪70年代中期人们就开始了光纤传感器的研究。

这主要是因为光纤用于传感具有独特的优点, 如无源性、化学惰性、绝缘性、极宽的信号带宽、“传”“感”合一等, 此外还有诸如灵敏度高、响应速度快、动态范围大、抗电磁干扰等。

光纤传感器经过二十多年的发展, 目前已经成为一个种类繁多的传感大家族。

本章将首先介绍光纤传感器的优点及分类方法, 随后介绍几类非常重要的光纤传感器, 比如光纤法珀传感器、光纤白光干涉传感器、光纤陀螺传感器、光纤光栅传感器等。

在介绍这些传感器时, 本书着重于介绍这几类传感器的基本传感原理、解调方法及简单的应用技术。

7. 1 引言光纤不仅能用作光波的传输媒介, 而且光纤中传输的光波的特征参量, 如振幅、相位、波长、偏振态, 以及模式等, 对外界环境因数, 如温度、压力、辐射等比较敏感。

因此通过测量光纤中传输的光波的特征参量的变化即可实现对外界相应环境参量的测量, 这也就间接实现了引起环境因素变化的相应物理量的测量。

7.1.1 基本结构光纤传感器一般由四大部分组成: 光源、信号传输光纤、传感头、光电转换及信号处理, 具体结构如图7. 1 所示。

图解光波作为载波经入射光纤传输到传感头, 光波的某些特征参量在传感头内被外界物理量所调制, 含有被调制信息的光波经出射光纤传输到光电转换部分, 经解调后就能得到被测物理量的大小和状态。

由于光波的频率很高, 且是一种二维信号载体, 所以它能传感和传输的信息量极大。

7.1. 2 光纤传感器的分类1. 按照光纤在传感系统中的功能分光纤传感, 包含对外界信号(被测量) 的感知和传输两种功能。

所谓感知(或敏感) , 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(功率) 、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。

光电检测技术光纤传感检测技术光纤的基本结构传光原理光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。

根据几何光学原理，当光线以较小的入射角θ1由光密介质1射向光疏介质2(即n1＞n2)时，则一部分入射光将以折射角θ2折射入介质2，其余部分仍以θ1反射回介质1。

光在两介质界面上的折射和反射单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近光的波长。

单模光纤通常是指跃变光纤中，内芯尺寸很小，光纤传输模数很少，原则上只能传送一种模数的光纤，常用于光纤传感器。

这类光纤传输性能好、频带很宽，具有较好的线性度；但因内芯尺寸小，难以制造和耦合。

，纤芯直径远大于光的波长。

通常是指跃变光纤中，内芯尺寸较大，传输模数很多的光纤。

这类光纤性能较差，带宽较窄；但由于芯子的截面积大，容易制造、连接耦合比较方便，也得4．按用途分类(1)通信光纤用于光通信系统，实际使用中大多使用光缆（多根光纤组成的线缆），是光通信的主要传光介质。

(2)非通信光纤这类光纤有低双折射光纤、高双折射光纤、涂层光纤、液芯光纤和多模梯度光纤等几类。

光纤的色散•在光纤中传输的光脉冲，受到由光纤的折射率分布、光纤材料的色散特性、光纤中的模式分布以及光源的光谱宽度等因素决定的延迟畸变，使该脉冲波形在通过光纤后发生展宽。

这是因为在光纤中传输的光信号的不同频率成份或不同的模式分量如果以不同的速度传播，则经过一定距离到达出射面时必然产生信号失真。

这种现象称为光纤的色散。

•色散分为多模色散、波导色散、材料色散和偏振色散等。

光纤的耦合常用的耦合器有以下3种结构形式：（1）把每根光纤埋人玻璃块的弧形槽中，将其侧面研磨抛光，使光纤耦合处的包层厚度达到一定的要求，然后将两根光纤拼接在一起，如图(a)所示。

（2）将两根光纤稍加扭绞，用微火炬对耦合部位进行加热，在熔融过程中拉伸光纤，最后拉细成型，如图(b)所示。

（3）将光纤的局部外套去掉，腐蚀掉光纤耦合部位的大部分包层，并将两根光纤的纤芯紧紧接触在一起，然后进行加固。

1. 光谱仪检测法该法是测量光纤光栅传感的波长偏移量最直接的检测方法当被测量产生变化时，可以在光谱仪上直接观察波长的改变量，然后再根据波长与被测量的关系计算出被测量的值。

使用该方法检测信号操作简单，适宜于实验室教学研究使用。

但是体积大，价格昂贵，扫描速度慢，不能用在实时性较高的场合，因此很难满足实际应用的需要。

2. 非平衡Mach-Zehnder干涉仪法1992年，A.D.Kersey及其同事提出了非平衡Mach-Zehnder干涉仪法。

该方法是在非平衡Mach-Zehnder干涉仪的基础上设计实现的，其原理如图2所示，自宽带光源发出的光通过3dB祸合器后进入光纤布拉格光栅，满足布拉格波长的光从光纤光栅反射回祸合器，再输入到非平衡Mach-Zehnder干涉仪，经过干涉仪输出的相位变化信号与传感光栅中心波长的变化量建立起一一对应的理论关系，根据相位仪测出相位，就能得出FB G中心波长的变化，由此计算得出被测量的变化。

非平衡Mach-Zehnder干涉仪解调法但在实际操作使用此装置时，由于存在温度、振动等外界干扰因素和信号随机相移的影响，不适合于绝对应变的测量，要想测量信号的绝对变化量，必须在确保系统周围环境稳定的前提下，增加一根参考光栅，才能保证实现信号绝对静态测量值的准确度，并且干涉仪的相位变化范围决定了它的测量范围十分有限。

3. 可调谐窄带光源法该法是通过标定的可调节窄线光源波长使其和光纤布拉格光栅波长进行匹配，最终达到信号解调的目的，此法的特点有较高的信噪比与较好的分辨率。

可调谐窄带光源法的解调原理是用压电陶瓷作用于光纤激光器上，再用驱动电压驱动压电陶瓷，从而控制光纤激光器的输出波长。

当不同时刻不同波长的激光入射到传感光栅时，只有满足布拉格波长的光谱会被反射，其余光谱被透射，反射进入到探测器的光能量最大时，记下此时驱动电压的大小，就能根据驱动电压与反射波长的关系测出中心波长的大小，可调谐窄带光源法的解调原理如图3所示。