1、光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用關(guān)于光纖傳感器：從原理上看，以光學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，將測(cè)量對(duì)象的狀 態(tài)變成光信號(hào)的形式取出；從材料上看以石英為主，適于在高電壓、電磁干擾、海水下以及化學(xué)腐蝕氣氛等環(huán)境條件下使用。2. 光纖是優(yōu)越的低損耗傳輸線，使用時(shí)可不必考慮測(cè) 量設(shè)備與被測(cè)對(duì)象的相對(duì)位置，可用于一般電子傳感 器難以適應(yīng)的場(chǎng)合。3.光纖傳感器與光電檢測(cè)器件、電子裝置有良好的兼容。光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用光纖有很多的優(yōu)點(diǎn)，用它制成的光纖傳感器（FOS）與常規(guī)傳感器相比也有很多特點(diǎn)：抗電磁干擾能力強(qiáng)、高靈敏度 、耐腐蝕、可撓曲、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、以及與光纖傳輸線路相容等。光纖傳感器可應(yīng)用于位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、壓力、

2、彎曲、應(yīng)變、速度、加速度、電流、磁場(chǎng)、電壓、濕度、溫度、聲場(chǎng)、流量、濃度、pH值等70多個(gè)物理量的測(cè)量，且具有十分廣泛的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用7.1 光纖傳感器的基礎(chǔ)一、光纖波導(dǎo)原理斯涅爾(Snell)定律臨界角光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用存在的問題：表面污染引起能量損耗解決方案：光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用完整光纖模型：光線由折射率為n0的外界介質(zhì)(空氣n0=1)射入纖芯時(shí)實(shí)現(xiàn)全反射的臨界角(始端最大入射角)為NA定義為“數(shù)值孔徑”。它是衡量光纖集光性能的主要參數(shù)。光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用光纖運(yùn)動(dòng)路徑不同，使得光脈沖沿光纖展寬色散改善方法：階躍光纖梯度光纖速度補(bǔ)償二、光纖的特性

3、與分類1.光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用階躍光纖梯度光纖光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用2. 損耗 吸收損耗： 紫外吸收、紅外吸收、雜質(zhì)吸收 散射損耗： 瑞利（Rayleigh）散射、拉曼（Raman）散射瑞利散射光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用菲涅耳反射 其它損耗： 菲涅耳（Fresnel）反射光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用3. 其它分類方式按纖芯和包層材料性質(zhì)分類： 玻璃光纖 塑料光纖按傳輸模式分類： 單模光纖 多模光纖按用途分類： 通信光纖 特殊光纖低雙折射光纖高雙折射光纖涂層光纖液芯光纖激光光纖紅外光纖光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用三、光纖傳感器分類光纖傳感器一般可分為兩大類： 功能型傳感器(Function Fibe

4、r Optic Sensor)，又 稱FF型光纖傳感器利用光纖本身的特性，把光纖作為敏感元件，所以又稱傳感型光纖傳感器。光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用 非功能傳感器(Non-Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纖傳感器利用其他敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，用以傳輸來自遠(yuǎn)處或難以接近場(chǎng)所的光信號(hào)，因此，也稱傳光型光纖傳感器。光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用光纖傳感器分類光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用四.光纖傳感器的發(fā)展趨勢(shì)1.當(dāng)前應(yīng)以傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題作為光纖傳感器的主要研究對(duì)象。 2. 集成化光纖傳感器。 3

5、.多功能全光纖控制系統(tǒng)。 4.充分發(fā)揮光纖的低傳輸損耗特性，發(fā)展遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 5.開辟新領(lǐng)域。光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用7.2 光纖的光波調(diào)制技術(shù)光的調(diào)制和解調(diào)可分為：強(qiáng)度、相位、偏振、頻率和波長(zhǎng)等方式。光的調(diào)制過程就是將一攜帶信息的信號(hào)疊加到載波光波上；完成這一過程的器件叫做調(diào)制器。在光纖傳感器中，光的解調(diào)過程通常是將載波光攜帶的信號(hào)轉(zhuǎn)換成光的強(qiáng)度變化，然后由光電探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用一、強(qiáng)度調(diào)制與解調(diào) 光纖傳感器中光強(qiáng)度調(diào)制是被測(cè)對(duì)象引起載波光強(qiáng)度變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)的方式。 光強(qiáng)度變化可以直接用光電探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。強(qiáng)度調(diào)制與解調(diào)原理圖光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)

6、用 當(dāng)垂直于光纖軸線的應(yīng)力使光纖發(fā)生彎曲時(shí)，傳輸光有一部分會(huì)泄漏到包層中去。1. 幾種常用的光強(qiáng)調(diào)制技術(shù)（1）微彎效應(yīng)光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用（2）反射式光強(qiáng)度調(diào)制光強(qiáng)大小與光纖端面和被測(cè)物體間距離有關(guān)探頭結(jié)構(gòu)光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用（3）透射式光強(qiáng)度調(diào)制利用透射實(shí)現(xiàn)的光強(qiáng)度調(diào)制途徑： 線性位移、角位移 利用光閘（遮光板）進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制光閘類型：光開關(guān)、光劈、可動(dòng)透鏡、光柵、莫爾條紋光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用 利用折射不同進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制的原理包括：利用被測(cè)物理量引起傳感材料折射率的變化；利用漸逝場(chǎng)耦合；利用折射率不同的介質(zhì)之間的折射與反射。（4）利用折射率變化的光強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用（

7、5）光纖的吸收實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度調(diào)制 在光纖芯中摻入特殊材料，改變光纖的吸收特性。 如摻入產(chǎn)生吸收光譜的材料，由于光纖的吸收損耗的增大導(dǎo)致輸出功率的降低；或摻入產(chǎn)生熒光的雜質(zhì)，利用外來輻射激發(fā)光纖，檢測(cè)熒光。光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用2. 強(qiáng)度調(diào)制的解調(diào)強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的關(guān)鍵是信號(hào)功率與噪聲功率之比要足夠大功率信噪比信號(hào)電流光信號(hào)噪聲電流光電檢測(cè)器噪聲電流前置放大器輸入端等效電阻熱噪聲電流PL 總光功率Ps 信號(hào)功率光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用利用外來因素改變光的偏振特性，通過檢測(cè)光的偏振面的旋轉(zhuǎn)（即偏振態(tài)的變化）來檢測(cè)物理量，稱為偏振調(diào)制。二、偏振調(diào)制與解調(diào)光波是橫波。自然光線偏振光（平面偏振光）圓偏

8、振光橢圓偏振光部分偏振光光纖傳感器中的偏振調(diào)制器常利用電光、磁光、光彈等物理效應(yīng)。光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用 當(dāng)壓電晶體受光照射并在其正交方向上加以高電壓，晶體將呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象普克耳效應(yīng)。1. 調(diào)制原理 （1） 普克耳（Pockels）效應(yīng)兩正交的偏振光的相位變化：光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用普克耳效應(yīng)的應(yīng)用光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用平面偏振光通過帶磁性的物體（或磁場(chǎng)）時(shí)，其偏振光面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，光矢量旋轉(zhuǎn)角：（2） 法拉第磁光效應(yīng)法拉第磁光旋轉(zhuǎn)是一種磁感應(yīng)旋光性費(fèi)爾德常數(shù)，表征法拉第效應(yīng)的大小H：磁場(chǎng)強(qiáng)度L：作用距離光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用采用YIG的光學(xué)式磁場(chǎng)傳感器光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用（3）光彈效

9、應(yīng)光彈效應(yīng)又稱應(yīng)力雙折射：在垂直于光波傳播方向施加應(yīng)力，材料將產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，其強(qiáng)弱正比于應(yīng)力。偏振光的相位變化：光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用三、相位調(diào)制與解調(diào)基本原理：通過被測(cè)能量場(chǎng)的作用，使能量場(chǎng)中的一段敏感單模光纖內(nèi)傳播的光波發(fā)生相位變化，利用干涉測(cè)量技術(shù)把相位變化變換為振幅變化，再通過光電探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。 相位調(diào)制技術(shù)實(shí)質(zhì)上是產(chǎn)生光波相位變化的物理機(jī)制和光的干涉技術(shù)的綜合應(yīng)用。壓力、張力和溫度等外因能直接改變光纖波導(dǎo)的長(zhǎng)度、折射率及其分布以及波導(dǎo)的橫向幾何尺寸等，若這些波導(dǎo)參數(shù)發(fā)生變化，則必然發(fā)生光波的相位變化，從而實(shí)現(xiàn)了光纖的相位調(diào)制。光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用（1）邁克爾遜干涉儀1. 實(shí)

10、現(xiàn)干涉測(cè)量的儀器光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)：沒有或很少有光返回到激光器。 返回到激光器的光會(huì)造成激光器的不穩(wěn)定噪聲，對(duì)干涉測(cè)量不利。（2）馬赫澤德爾（Mach-Zehnder）干涉儀光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用兩束光均形成傳播方向相反的閉合光路，并在分束器上會(huì)合，送入光探測(cè)器。（3）塞格納克（Sagnac）干涉儀 當(dāng)把這種干涉儀裝在一個(gè)可繞垂直于光束平面軸旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上時(shí)，若平臺(tái)以角速度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則在順時(shí)針方向傳播的光較逆時(shí)針方向傳播的光有相位延遲：光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用（4）法布里帕羅（Fabry-Perot）干涉儀根據(jù)多光束干涉原理，探測(cè)器探測(cè)到干涉光強(qiáng)度的變化： 多光束干涉光纖傳感檢測(cè)工

11、作技術(shù)應(yīng)用2. 四種類型光纖干涉儀結(jié)構(gòu)光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用目前主要是利用光學(xué)多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。四、 頻率調(diào)制與解調(diào)頻率調(diào)制時(shí)光纖往往只起傳輸光信號(hào)的作用，而不作為敏感元件。f1f2解調(diào)原理同相位調(diào)制的解調(diào)。（外差檢測(cè)）光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用7.3 光纖傳感器實(shí)例 一、光纖位移傳感器1. 反射式光纖位移傳感器光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用利用2個(gè)探頭獲得的平均輸出可以提供靈敏度，并可獲得目標(biāo)移動(dòng)方向的信息兩探頭置于目標(biāo)同側(cè)兩探頭置于目標(biāo)兩側(cè)光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用光纖液位傳感器 基于全反射原理光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用2. 集成光學(xué)微位移傳感器光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用半導(dǎo)體的吸收光譜與材料的

12、Eg有關(guān)，而Eg卻隨溫度的不同而不同。Eg與溫度t 的關(guān)系可表示為：tEg 即本征吸收波長(zhǎng)g t二、光纖溫度傳感器1. 半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度透射率LED發(fā)光光譜半導(dǎo)體透射率T1T2T3T3T1T2波長(zhǎng)透射光強(qiáng)度將隨著溫度的升高而減小，通過檢測(cè)透射光的強(qiáng)度或透射率，即可檢測(cè)溫度變化。光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用2. 熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器熱色效應(yīng)：自然界有很多無機(jī)溶液的顏色隨溫度升降而變化，因此溶液的光吸收譜線也隨溫度升降而變化。(CH3)3CHOH+CoCl3光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用3. 開關(guān)型光纖溫度傳感器1234水銀柱式光纖溫度開關(guān)1 浸液；2 自聚焦透鏡；3 光纖；4 水

13、銀 采用各種與溫度有關(guān)的遮斷機(jī)構(gòu)和材料（可以是石蠟、鐵氧體及水銀柱） 響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，適用于火災(zāi)報(bào)警及溫度設(shè)備監(jiān)視系統(tǒng)光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用熱雙金屬式光纖溫度開關(guān)1 遮光板； 2 雙金屬片接收光源12 當(dāng)溫度升高時(shí)，雙金屬片的變形量增大，帶動(dòng)遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強(qiáng)發(fā)生變化。 4.遮光式光纖溫度傳感器光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用5.其它類型的溫度傳感器 光纖輻射溫度傳感器 熒光輻射溫度傳感器 光纖液體溫度傳感器 光纖偏振溫度傳感器利用硅的旋光性隨溫度調(diào)制的偏振傳感器 相位調(diào)制型光纖溫度傳感器如馬赫澤德爾光纖溫度傳感器光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用三、光纖角速度傳感器（光纖陀螺）物理基礎(chǔ)：賽格

14、納克效應(yīng)傳輸時(shí)間：N匝光纖，且A=R2：則相移：光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用四、光纖壓力（振動(dòng)）傳感器1. 光纖壓力（振動(dòng)）傳感器優(yōu)點(diǎn)：體積小，抗電磁和射頻干擾好，精度高，非接觸 性測(cè)量 透射式（或反射式）光纖壓力（振動(dòng)）傳感器光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用膜片反射式光纖壓力傳感器光源接收Y形光纖束殼體P彈性膜片Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器如圖。在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當(dāng)膜片受壓變形時(shí)，使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化，從而使輸出光強(qiáng)受到調(diào)制。 光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用 微彎式光纖壓力傳感器亮場(chǎng)檢測(cè)光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用2. 光纖水聽器原理：當(dāng)光纖上加以周期性的微

15、彎曲引起的擾動(dòng)時(shí)，光纖內(nèi)的光傳輸損耗將根據(jù)所施加的壓力而產(chǎn)生十分靈敏的變化。光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用3. 光纖加速度傳感器框架的縱向振動(dòng)會(huì)使重物位移而導(dǎo)致光纖伸縮，這種變化可以以光的傳輸時(shí)間變化即相位變化的形式加以觀察光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用五、光纖電流、電壓傳感器 由于光纖本身是很好的絕緣體，采用光纖傳感技術(shù)檢測(cè)電流、電壓不受外界電磁干擾，有利于保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)1. 光纖電流傳感器光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用2. 光纖電壓傳感器偏振調(diào)制型當(dāng)晶體放在被測(cè)電壓（或電場(chǎng)）位置，由于單晶體的折射率系數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致單晶體發(fā)生附加線性雙折射相位調(diào)制型光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用光纖磁場(chǎng)傳感器 光纖放射性射線傳感器

16、 光纖光譜傳感器 光纖圖像傳感器六、其它類型光纖傳感器光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用7.4 分布式光纖傳感器 隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的日益廣泛，僅僅依靠單點(diǎn)式測(cè)量，已難以滿足需求，并且不能充分發(fā)揮光纖傳感器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。分布式傳感器一般是指：具有一個(gè)公共數(shù)據(jù)通道并能與控制中心實(shí)施通信聯(lián)絡(luò)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。一、概述分布式光纖傳感器測(cè)量是運(yùn)用光纖的一維特性進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)，可同時(shí)獲得被測(cè)量的空間分布狀態(tài)和隨時(shí)間變化的信息。它可以在整個(gè)光纖上對(duì)沿光纖分布的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。在理論上，它可以把被測(cè)量作為光纖位置長(zhǎng)度的函數(shù)，能得到任意大小的分辨率。光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用1、反射法：利用光纖在外部擾動(dòng)作用下

17、產(chǎn)生的Reyleigh 、Raman、Brillouin等效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的方法。二、分布式光纖傳感器主要技術(shù)測(cè)量沿光纖長(zhǎng)度上的基本損耗或散射(1) 光時(shí)域反射法 Optical Time-Domain Reflectometry（OTDR） 光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用基于瑞利散射或拉曼散射的原理光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用(2)偏振光時(shí)域反射法(POTDR)利用后向散射光的偏振態(tài)信息進(jìn)行分布式測(cè)量的技術(shù)光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用2、波長(zhǎng)掃描法(WLS) 用白光照射保偏光柵，運(yùn)用快速Fourier算法來確定模式耦合系數(shù)的分布。3、干涉法 利用各種形式的干涉裝置把被測(cè)參量對(duì)干涉光路中光波的相位調(diào)制進(jìn)行解調(diào)，

18、從而得到被測(cè)參量信息的方法。4、連續(xù)波調(diào)頻法（FMCW）光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用光纖光柵的制作原理：利用光纖材料的光敏性，即外界入射光子和纖芯相互作用而引起后者折射率的永久性變化，用紫外激光直接寫入法在單模光纖（直徑為0.125 mm）的纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其實(shí)質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的濾光器或反射鏡。其制作方法如下圖所示： 制作完成后的光纖光柵相當(dāng)于在普通光纖中形成了一段長(zhǎng)度為10mm左右的敏感區(qū)，可以準(zhǔn)確感測(cè)溫度、應(yīng)力的變化。三、光纖光柵傳感器光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用 光纖光柵屬于反射型工作器件，當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光通過傳輸光纖射入時(shí)，它與光場(chǎng)發(fā)生耦合作用，對(duì)該寬帶光有選擇地反射回相應(yīng)的一個(gè)窄帶光，并沿原傳輸光纖返回；其余寬帶光則直接透射過去。光纖光柵的測(cè)量原理光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用光纖光柵傳感技術(shù)特點(diǎn) 全光型 高精度 組網(wǎng)靈活 實(shí)時(shí)性好 兼容性強(qiáng)光纖傳感檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用智能材料航空、航天領(lǐng)域的應(yīng)用采