1、传感器：将被测量转换成可供处理的信号的器件或装置。利用光纤来获取信息和处理信息 光纤传感器。一个完整的光信息系统 光载波源（光源）、光信号加载（调制）、光信号传输与光信号检测与处理等几个基本部分。,光纤传感器的基本原理：当光在光纤中传输时，外界各种物理量（如温度、压力等）对光纤 作用，使在光纤中传输光的振幅、相位、偏振态等参量发生变化，这些 参数的变化带有被测量的信息，若能测定出这些参量随被测量变化的关 系，就能测出所测物理量的大小，这就是利用光纤获取信息的基本原理。,光电子在信息领域中的主要应用,光线传感技术,光纤传感器,光电子技术的主要应用,技术方面：光纤制造技术的提高 光电子技术的发展半
2、导体光源性能的提高 需求方面：1、军事应用； 2、渴望把只能在实验室才能实现的高精度光学测量应用到环境恶劣的生产、科研现场； 3、许多关系国计民生的大型结构缺乏可靠的技术进行监测。,光纤传感器产生的背景,光线传感技术,光电子技术的主要应用,1. 抗电磁干扰，电绝缘 2. 灵敏度高 3. 体积小，重量轻，外形可变 4. 可检测的量多 5. 可以实现分布式测量,光纤传感器的特点：,光线传感技术,光源,探测器,入射光波的特征参量： 振幅、相位、偏振态、波长等,外界物理因素：温度、压力、 电场、磁场、电流,光纤,传感型光纤传感器：外界物理量作用于光纤，改变了光纤的 传输参数或改变了功能型 通过光纤的光
3、波，光纤同时完成了传感和传光两种功能。,光电子在信息领域中的主要应用,光线传感技术,光纤传感器的分类按功能分,光源,探测器,敏感元件,光纤,光纤,外界因素使通过敏感元件的光波的 振幅、相位、偏振态等参量发生变化,传光型光纤传感器：利用敏感元件或材料将被测量变成带有信息的光信号，非功能型 通过光纤传输。光纤仅起传输光的作用。,光电子在信息领域中的主要应用,光线传感技术,光电子技术的主要应用,强度调制型光纤传感器,光纤传感器的分类,按调制原理分类,利用外界因素引起的光纤中光强的变化来探测物理量的光纤传感器。 改变光纤中光强的办法：改变光纤的微弯状态、改变光纤的耦合条件、 改变光纤对光波的吸收条件、
4、改变光纤中折射率分布。,变型器,光纤微弯传感器,光线传感技术,透射型光强调制,（a）径（横）向位移；（b）轴向位移；（c）遮挡光闸位移；（d）响应曲线,受抑全反射光强调制,（a）结构；（b）光纤空隙（m）,反射机制光强调制原理,微弯光强调制机制,光电子技术的主要应用,相位调制型光纤传感器,利用外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测各种物理量的传感器。 主要特点：（1）、灵敏度高；（2）、灵活多样；（3）、对象广泛；（4）、特殊需要的光纤。,光纤干涉仪,Mach-Zehnder Michelson Sagnac,光线传感技术,四种干涉仪及其光纤结构,光电子技术的主要应用,偏振态调制型光纤传感器,
5、外界因素使光纤中光波模式的偏振态发生变化，并对其加以检测的光纤传感器。 基本原理是根据光纤材料的 Faraday 效应：光波在处于磁场中的光纤内传播时 偏振光发生偏振面的旋转，其旋转角度于磁场强度、磁场中光纤的长度成正比。, VHL,V：Verdet 常数,光线传感技术,光电子技术的主要应用,频率调制型光纤传感器光纤光栅传感器,通过外界参量对布拉格中心波长的调制来获取传感信息,光线传感技术,光电子技术的主要应用,温度传感器 位置传感器 流量传感器 应变传感器 磁场传感器 电流传感器 电压传感器 压力传感器 核辐射传感器，等等,按测量对象来分类,光线传感技术,光电子技术的主要应用,一、光源特性1
6、、几何特性：光源的光斑与光纤的匹配程度 2、频谱特性：中心波长0和光谱宽度 3、电光特性：电源对光输出的影响 4、环境特性：光源的稳定性、可靠性、使用寿命,光 纤 传 感 器 的 光 源,光线传感技术,光电子技术的主要应用,宽带连续光谱光源：钨灯、高压水银灯和氙灯。 光谱分布具有黑体辐射的特征 它们的辐射光谱约为0.43.0um，为玻泡的光谱 光谱最大值的位置取决于炽热体温度 寿命短(千小时) 与光纤的耦合效率极低 主要应用在白光干涉型光纤传感器中 超辐射LED(SLED)有望取代它们,二、几种常用光源,光线传感技术,光电子技术的主要应用,单色性、相干性、方向性和高强度 散斑噪声 气体激光器(
7、He-Ne)与半导体激光器(LD) 1. He-Ne： 相干长度长，输出波长相对稳定性高 输出功率稳定性差、噪声大 适用于计量干涉条纹、数字式光纤传感器 采用稳频措施后，性能会有所改善,三、激光器：,光线传感技术,光电子技术的主要应用,2. LD FP与DBF之分 体积小、重量轻、效率高、寿命长 光源噪声较小 相位调制、数字式光纤传感器 强度调整、偏振调制性光纤传感器 注意散斑噪声,光线传感技术,光电子技术的主要应用,三、半导体发光二极管(LED) 非相干光源 输出功率稳定性好，噪声极低 出纤功率较低 高精度的强度调制、偏振调制型光纤传感器 白光干涉型光纤传感器,光线传感技术,光电子技术的主要
8、应用,钨灯在温度T2850K时的归一化光谱分布 LED的光谱分布,FP激光器的输出光谱,光线传感技术,光电子在信息领域中的主要应用,光线传感技术,1. 分布式： 同时测量空间多个点环境参数，甚至能测量空间连续分布的环境参数； 2. 复用式： 利用一根共用的光纤信道，从多个不同位置测量同一个或不同物理量。分布式光纤传感器的发展1981英国提出1983 英国原理性实验(Rayleigh散射)1985 英国实验室90年代 英国和日本推出分布式温度传感器的产品,分布式光纤传感器,光电子在信息领域中的主要应用,光线传感技术,1. 各种大、中型变压器、发电机组的温度分布测量、热保护和故障诊断 2. 地下和
9、架空高压电力电缆的热点检测和监控 火力发电所的配管温度、供热系统（暖水、暖气）的管道、输油管道的热点检测和故障诊断 4. 医院监护病房的温度监测和火灾监测 煤矿、隧道的灾害防治及其报警系统 油库、油罐、危险品仓库、大型仓库和大型轮船的货仓火灾及报警系统 7. 化工原料，照相材料及油料生产过程的在线、动态检测 8. 高层建筑、智能大厦、桥梁、高速公路等在线、动态检测、防护及报警 机敏材料和结构（smart materials and structure）：用于航空、航天飞行器的在线、动态检测和机器人的神经网络系统,光电子在信息领域中的主要应用,光线传感技术,光纤传感器复用技术的核心之一就是如何区分出不同的传感器。 按照其原理可以分为：时分复用、波分复用、空分复用。 时分复用:在时域上区分出不同的传感器。,准分布式光纤传感器的复用技术,光电子在信息领域中的主要应用,光线传感技术,波分复用：波长为标志来区分不同的传感器 波分复用的前提是传感器具有波长选择性，即：只对某一波长的光起作用。,光电子在信息领域中的主要应用,光线传感技术,空分复用 在空间上区分不同的传感器。 空分复用结构简单，性能可靠，唯一的缺点是成本较大。,光电子在信息领域中的主要应用,光线传感技术,光纤传感技术发展趋势,1、商品化 2、集成化和全光纤化 3、网络化 4、特殊光纤 5、新型传感机理和方案,
