光纤传感器论文

1、光纤传感器论文光纤传感器的原理、应用及发展前景程立安 电气工程与信息工程学院电 子一班摘要这个学期选修了传感器与检测技术这门课，我对里面讲述到达光纤传感器较为 感兴趣，所以就以光纤传感器做我论文的主 题。通过介绍光纤传感器的构造及工作原理, 光纤传感器的许多优越的特点，灵敏度高、 可以任意改变形状、可用于恶劣的环境中等 等。来说明光纤传感器是使用是非常广泛的, 其应用领域是在我们的周围环境中，其重要 性日益增强。最后，光纤技术会越来越得到应用，它会给我们人类带来极大的方便与利益。-2 -关键词；光纤传感器、灵敏度、改变形状、 可用于恶劣环境引言一一光纤传感器可以用来测量多种物理量，比如声场、电

2、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。它与我们息息相关，我们需要它，它需要我们来对它进行改 造，创新。一、光导纤维的原理光纤传感器就是利用光导纤维的传光特 性，把被测量转换为光特性（强度、相位、偏振 态、频率、波长）改变的传感器。它的基本工作 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。随着现代科学技

3、术的发展，信 息的获得显得越来越重要。光纤传感器具有许多优点：灵敏度较高；几 何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状 的的光纤传感器；可以制作传感各种不同的物理 信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；光纤传 感器可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀和其 他的恶劣环境；具有与光-3 -纤遥测技术的内在相容 性。1 1、灵敏度高由于光是一种波长极短的电磁-4 -波，通过光的相位便得到其光学长度。以光纤 干涉仪为例，由于所使用的光纤直径很小，受 到微小的机械外力的作用或温度变化时其光学 长度要发生变化， 从而引起较大的相位变化。包层 护套 涂覆层图（1 1） 光纤的结构2 2、测量速度快光的传播速度

4、最快且能传送二维信息，因此可用于高速测量。对雷达等信号的 分析要求具有极高的检测速率，应用电子学的方 法难以实现，利用光的衍射现象的高速频谱分析 便可解决。信息容量大被测信号以光波为载体，而光的频率极高，所容纳的频带很宽，同 一根光纤可以传输多路信号。3 3、适用于恶劣环境光纤是一种电介质，耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰，可用于其它传感器所 不适-5 -应的恶劣环境中。另外，利用光纤的柔韧性 可将光纤传感器做成各种形状的传感器及传感器 阵列，用于多参数测量。-6 -、光导纤维的主要参数1、值孔径（NA如上图所示，将-的正弦函数定义为光导纤维的数值孔径（NANA，即数值孔径反映纤芯接受光量的多少，是

5、标志 光导纤维的接受性能的一个重要参数。其意义是 无论光源发射率有多大，只有 2 2 ： i i 张角之内的光功 率能被光纤接收传播。2、光纤模式光纤模式简单地说，就是光波沿光导纤维传 播的途径和方式。在给定的光导纤维中，光线只 是以某些角度入射时，所传播的光会以不同的角 度入射的光线，在界面上反射的次数是不同的， 传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布叫 模式。阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量可以简单表示为二 d （n： - n；）1V=V=式中：d d 为光纤芯直径；0 0为光波波长3、传播损耗由于光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲 处的NANA = = sinsin-7 -辐射损耗等的

6、影响，光信号在光纤中的传播不可避免的要有损耗。 以 A A 来表示传播损耗 （单 位 dBdB） ,则:10A A = = alal = = 20lg20lg了式中：I I 为光纤长度；a a 为单位长度的衰减;0为光导纤维输入端光强；：为光导纤维输出端光 强。三、根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器可以分为三大类一类是功能型传感器；二类是非功能型传感器；还有最后一类是拾光 型光纤传感器。1、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

7、。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-8 -测得信息图（2 2）功能型传感器的工作方 式2、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。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。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

8、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。三、拾光型光纤传感器。用光纤作为探 头，接受由被测对象辐射的光或被其反射、散射 的光。典型的例子：光纤激光多普勒速度计、辐 射式光纤温度传感器等。3、拾光型光纤传感器-9 -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。四、光纤传感器应用的领域温度的检测，压力的检测，液位、流量、流速 的检测。1 1、光纤高温测量系统的辐射由光纤传输到光电转换及单片图（3 3

9、）光纤高温测量系统测量时，测量光纤插入钢水内部约 4040 cmcm 深 光纤可采用金属套层光纤，光纤插入钢水瞬间， 光纤被烧蚀，端面形成半圆形凹面，这时，在金 属套层被烧蚀前，光纤最前端可近似视为黑体。 在测量段光纤被烧蚀前，钢水测量点处的温度可 传出。钢水内部温度通过对光纤端面机处理系统。-10 -2 2、基于微弯效应测压力微弯效应：光纤在微弯时引起纤芯中传输的 光部分投入包层（全反射条件受到一定破坏），造 成传输损耗，微弯程度不同，泄漏光波的强度也 不同，从而达到光强度调制的目的。光纤压力传感器主要有强度调制型、相位调 制型和偏振调制型三种。强度调制型光纤传感器是一种可用于测量位 移、温

10、度、压力、气体浓度等多种物理量的高精 度传感器。大多基于弹性元件受压发生机械形变， 将压力信号转换为位移信号来进行检测。为改善 传感器的性能，微弱光强信号的检测需要载波调 制和双光路补偿。传统的这类传感器通常采用模 拟电路实现，存在着元件漂移误差、调校困难、 不易组网、尺寸较大等固有的弊端。相位调制型 光纤传感器是利用光纤本身作为敏感元件，通过 被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发 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。光纤中光的 相位由光纤波导的物理长度、折射率及其分布、 波导横向几何尺寸所决定，应力、应变、温度等 外界物理量能直接改变上述三个波导

11、参数，产生 相位变化，实现光纤的相位调制。简单地说，将 被测量转为光的波长-11 -或光程差的变化，从而使相 位发生变化的方法称为相位调制。3.3. 光纤位移传感器反射式光强调制测量位移由光纤输出的光 照射到反射面上发生反射，其中一部分反射光返 回光纤，测出反射光的光强，就能确定反射面位 移情况。这种传感器可使用两根光纤，分别作传 输发射光及接收光用；也可以用一根光纤同时承 担两种功能。为增加光通量可采用光纤束，此方 法测量范围在 9 9 mnmn 以内，其光强调制的示意如 下图所示。-12 -曲线4 4、光纤液位传感器原理：基于全内反射理论-13 -当测头没有接触液面（处于空气中）时，光线在

12、探头内发生全内反射，而返回到光电二极管； 当测头接触液面，由于液体与空气折射率不相同， 所以全内反射被破坏，将有部分光线投入液体， 使返回光电二极管的光强变弱。返回光强是液体 折射率的函数。返回光强发生突变时，测头已接触到液位。光电接收器的要求不高。由于同种溶液在不 同浓度时的折射率不同，经标定，这种液位传感 器也可作浓度计。光纤液位计可用于易燃、易爆 场合，但不能探测污浊液体及会粘附在测头表面 的粘稠物质。5 的光纤其它应用光纤电流传感器图（6 6）光纤结构电流传感器图（6 6）为一种全光纤结构的光纤电流传感器-14 -其中单偏光纤代替了上述结构中的起偏器，并用 了一个多圈传感线圈。电流测量

13、范围可达0.10.15000A5000A。光纤式光电开关应用采用遮断型光纤光电开关对 ICIC 芯片引脚进行检 测军用光纤陀螺其原理：将激光射入绕成线圈的光纤，当线圈的 底座随运动物体旋转时，可以测得出射光的相位 发生变化，它的灵敏度比机械陀螺高，无机械磨 擦力。(4 4)光纤内窥镜制造光纤内窥镜关键的部件是光纤传像束它决 定产品清晰度、分辨率和使用寿命。五、光纤传感器发展前景光纤传感技术是 2020 世纪 7070 年代伴随光纤通信 技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术，当 今世界对光纤传感技术的应用研究已取得丰硕成 果. .光纤传感器与传统的机电类传感器相比具有 很多优势，如本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、 耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等因此其应 用范围非常广泛，并且-15 -特别适于恶劣环境中的应 用光纤光栅传感器被认为是实现“光纤灵巧结 构的理想器件。光纤传感技术使用的范围很广泛，无论是