日
本
• 1979~1986年，从事光纤传感器技术研究工 作的公司和大学共24家。 • 1980~1983年，申请光纤传感器的相关专利 共464项。
我
国
• 1983年，光纤传感器第一次全国性会议在 杭州召开。 • 在“七五”规划中提出了15项光纤传感器 的研究项目。 • 目前的研究工作主要由各高校和研究所承 担。清华、北航、北京交大……
其它问题
• • • • • 电源电压波动。 工作环境温度变化对传感器性能的影响。 特性参数与被测参数的关系为非线性。 测量的长时间漂移效应。 ……
目前光纤传感器的研究动向
1.实用化
• 继续深入研究光纤传感器的理论和技术， 解决实用化问题，发展新原理的光纤传感 器。尤其要解决测量过程的长时间漂移效 应。
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 FOG(Fiber Optic Gyroscope) —光纤陀螺：发展最快，取得成果最好 的领域之一 NRM(Nuclear Radiation Monitor) —核辐射监测 CRP(Civil Research Project) —民用研究计划
光纤传感器的基本构成
外界参量
光 源
光纤
信号 调制
光纤
光探 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
光纤传感器的工作原理及其分类
1.基本工作原理
将光源的光经过光纤送入调制区，在 调制区内，外界被测参量与进入调制区的 光相互作用，由于光纤中的模态损耗和相 位能够随着弯曲、微弯、压力、拉力、温 度以及其它环境因素的变化而变化，从而 使光的光学性质，如强度、波长、频率、 相位和偏振态等发生变化，成为被调制的 信号光，再经过光纤送入光探测器，并经 过解调而获得被测参数。
2neff
Typical Reflection Spectra
光纤光栅复用系统
2 1 3 1 2 3
光 源
耦合器
光谱仪
（环行器）
FBG1
FBG2
、、FBGn
FBG压力传感头结构
原理：光纤光栅Bragg波长与压强、应变成线 性变化关系
光纤光栅压力传感系统结构
传感头1#
传感头2#
传感头3#
光纤传感器 (FOS-Fiber Optic Sensor)
• 以光纤作为功能材料的传感器。 • 以光学技术为基础，将被敏感的状态以光 信号的形式取出。
通信波段划分及相应传输媒介
频率，Hz
101
102
ELF
103
VF
104
VLF
105
LF
106
MF
107
HF
108
VHF
109
UHF
1010 1011
目前光纤传感器的存在问题
强度型光纤传感器的问题
• 原理：利用光强的变化测量被测参数 • 优点：结构简单、工艺成熟、性能可靠、 成本低。 • 缺点：光路调整或光纤与探头材料的连接、 耦合困难
相干型光纤传感器的问题
• 原理：根据被测参量影响后光纤中光相位 的变化检测外界参量。 • 优点：灵敏度高 • 缺点：检测与信号处理手段复杂，光路复 杂，对光器件与光纤的要求严格，成本较 高，容易受其他因素的影响。
光纤的特点
• • • • • • • • • • 损耗低，0.2dB/km 良好的传光性能 频带宽，传输容量大，400nm，50THz 可塑性好； 本身就可以作为敏感元件 重量轻，体积小，27g/km fiber 资源丰富，石英 抗电磁干扰，不易串音，抗雷击，通信质量高 防爆性能好 …...
光纤传感器的优点
英
• • • •
国
1982年成立英国光纤传感器合作协会 高电压光纤电流传感器--中央电气研究所 光纤陀螺、水声器—伦敦大学 光纤传感器的多路测试设备—曼彻斯特大 学 • 光全息技术—牛津大学 • 特种光纤和光学测试仪器—南安普顿大学
德
国
• 光纤陀螺的研究和开发水平仅次于美国， 居世界第二。 • 西门子公司等均在光纤传感器方面有研究。 1980年，西门子公司开发出了高压光纤电 流传感器。
3.与待测信号间的匹配性能好
• 不干扰目标状态 • 可以充分承受目标的环境 • 抗干扰性能好
4.总体要求
• • • • • • 体积小 轻便 故障率低 能够大批量生产，价格便宜 坚固耐用，机械性能好 耐化学腐蚀、耐热性能好，无危害性，无 公害 • …….
光纤传感器的发展概况及其展望
1.发展概况
光纤传感器 原理及应用
主要内容
• • • • • • • 概论 光纤传感器原理 光源 光探测器 光信号检测技术 特殊光纤 典型应用
第一讲
概
论
传感器
• 将待测量对象的状态变换为可处理信 号的器件或装置。 • 可以实现信息检测、转换和传输。 • 从字面上讲可比做人感知自然界物理 现象的器官。 • 从工程技术上讲，指检测被测物体某 种信息的仪器。它是感知、获取、检 测和转换信息的窗口，处于研究对象 与传输处理系统的接口位置。
传光型光纤传感器：光纤不连续，其间 有中断，中断部分要接上其它 介质的敏感元件，可以充分利 用已有传感技术的优点。 传感型光纤传感器：“传”和“感”合为一 体，光纤连续，减少了耦合， 但是往往需要特殊光纤。
•
按照调制原理进行划分 强度调制光纤传感器：光纤中光强度变化 波长调制光纤传感器：光纤中光波长变化 偏振态调制光纤传感器：光纤中光偏振态变化 相位调制光纤传感器：光纤中光相位变化 频率调制光纤传感器：光纤中光频率变化 时分调制：利用外界因素调制返回信号的基带 频谱，通过检测基带的延迟时间、幅度大小 的 变化来测量外界物理量的大小和空间分布。
It works like this
• resonant wavelengths are reflected back toward the source • non-resonant wavelengths are transmitted through the device without loss. • The centre wavelength is given by:
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。 • 对基础技术和元器件的稳定性和可 靠性进行大量的研究开发工作。
传感头n# 耦 合 器
光 源
计算机
光谱仪
各
探 头 受 力 前 后 光 谱
初始状态
探头1#受力
探头4#受力
利用上述传感功能，可以建成
新型的预警光缆传感系统
这种预警光缆系统可以用于石油勘探系统、国 防边境、众多重要的军事区域、容易产生滑坡和泥 石流地区的预警系统、还可用于地震预测。 目前，因特利公司和飞鸿佳信公司正与本实验 室商谈预警光缆系统技术转让技术和如何实现产学 研相结合的问题。
光纤光栅概述
~ 200 µ m (Long-period grating) ~ 500 nm (Bragg grating) 125 µ m Cladding Core 1 mm to 1500 mm 8 µ m
Singlemode fibre
Regions with higher refractive index than that of core’s
SHF EHF
1012 1013 1014 1015
频段 划分 传 输 介 质
电力、电话
无线电、电视
AM无线电 同轴电缆 双铰线
FM无线电
微波
卫星/微波
红外
可见光
光纤
光纤
107
106
105
104
103
102
101
100
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
自由空间波长，m
光通信的特点
波长短，载频高 宽带宽 大容量 能量集中 器件尺寸小 功耗低
• • • • 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。
•
按照检测对象进行划分
温度传感器 压力传感器 位移传感器 流速传感器 辐射传感器 气体传感器 光谱传感器 ……….
传感器的设计原则
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.优良的变换功能
• 动态范围广 • 单纯的变换关系 • 信噪比高 • 重复性好 • 时间稳定性好 • 灵敏度高
2.探测信号的质量好
• 便于信号处理 • 容易传输信号 • 特性参数随时间的变化小，测量的重复性 好，没有滞后和老化现象。
传感器是现代科学技术开拓的先锋
在信息时代，人类的认识和活动范 围在空间和时间上将向无限、极端和 崭新领域拓展。各种关键工程的开发， 首先就要有能传感各种强、高、弱、 微和边缘效应的传感器，这些特殊领 域的突破将给人类科学技术带来不可 估量的进展，产生巨大的经济效益。