光纤传感器工作原理特性设置方法应用

光纤 传感器 定义

光纤传感器是这种将被测另一半的情况变化为能测的光信号的控制器。光纤传感器的工作原理是将灯源入射的光线经过光纤线送进调制器，在调制器内与外部被测主要参数的相互作用力，使光的电子光学特性如光的抗压强度、光波长、頻率、位置、偏振态等变化很大，变成被解调的光信号，再历经光纤线送进半导体材料、经解调器后得到被测主要参数。整个过程中，光线经过光纤线导进，根据调制器后再射出去，在其中光纤线的功效较早是传送光线，次之是具有光调制器的功效。

光纤传感器工作原理

光纤传感器的基础工作原理是将来源于灯源的光历经光纤线送进调制器，使待测主要参数与进到解调区域光相互作用力后，造成光的电子光学特性（如光的抗压强度、光波长、頻率、位置、偏振态等）变化很大，称之为被解调的数据信号光，再运用被精确 测量 光线的传送特性释放的危害，进行精确测量。光纤传感器的精确测量基本原理有二种。

（1）物理性能型光纤传感器基本原理，物理性能型光纤传感器是运用光纤线对变动环境的敏感度，将键入物理量转换为解调的光信号。其工作原理根据光纤线的光解调效用，即光纤线在外部环境要素，如溫度、工作压力、静电场、电磁场这些更改时，其传光特性，如位置与光照强度，会变化很大的状况。

因而，假如能测到根据光纤线的光位置、光照强度转变，就能够了解被测物理量的转变。这种控制器又被称作敏感元件型或功能性光纤传感器。 激光 发生器的线光源光线外扩散为平行面波，经分光器分成两路口，一为标准环路，另一个为精确测量环路。外部主要参数（溫度、工作压力、震动等）造成光纤线长短的转变和位置的光位置转变，进而造成不一样总数的干预花纹，对它的模向挪动开展记数，就可精确测量溫度或压等。

（2）结构化光纤传感器基本原理，结构化光纤传感器是由光检验 元器件 （敏感元件）与 光纤传输 控制回路及精确测量电源电路所构成的检测系统。在其中光纤线仅做为光的传播媒质，因此又称之为传光型或式功能性光纤传感器。

光纤传感器特性

一、敏感度较高;

二、几何 图形 样子具备各个方面的适应能力，能够做成随意样子的光纤传感器;

三、能够生产制造传感技术各种各样不一样物理学信息内容（声、磁、溫度、转动等）的元器件;

四、能够用以髙压、电气设备噪音、高溫、浸蚀、或其他的极端自然环境;

五、并且具备与光纤线遥测技术的本质相溶性。

光纤传感器的优势是与传统式的各种控制器对比，光纤传感器用光做为比较敏感信息的传递，用光纤线做为传送比较敏感信息内容的媒质，具备光纤线及电子光学精确测量的特性，有一连串与众不同的优势。绝缘特性好，抗电磁干扰能力强，非入侵性，高灵敏，非常容易保持对被测数据信号的长距离 监控 器，抗腐蚀，防爆型，环路有可拉伸应变性，有利于与电子 计算机 连接。

光纤传感器设置方法

一、手动式设置门坎值

门坎值复位后默认值为“8”

无钢件状况下当今光数值为“0”

有钢件状况下当今光数值为“174”

二、一点儿示教

（反射面型摄像头时）

无被测物块状况下拨到SET方式，按UP/DOWN键1s，出現“----”忽明忽暗

再按UP/DOWN键3s拨回RUN方式，门坎值全自动设成当今光数值的+6%

设成L-ON，这时， 检验 到物块有輸出，姿势灯亮

无被测物块状况下，调在SET方式，按UP/DOWN键1s，出現“----”忽明忽暗

拨回RUN方式，门坎值全自动设成当今光数值的-6%

设成D-ON，这时，检验到物块有輸出，姿势灯亮

三、二点示教

有被测物块状况下，调在SET方式，UP/DOW键1s，出現“----”忽明忽暗

无被测物块状况下，按UP/DOWN键1s，出現预设值忽明忽暗2次

拨回RUN方式，门坎值全自动设置为有钢件状况和无钢件状况当今光数值的正中间值

设成L-ON，这时，检验到物块有輸出，姿势灯量

光纤传感器应用

绝缘层于污浊、磁、声、工作压力、溫度、瞬时速度、溜溜球、偏移、液位、转距、光声、 电流 量，光纤传感器可用以偏移、 振动 、旋转、工作压力、弯折、应变力、速率、瞬时速度、电流量、电磁场、工作电压、环境湿度、溫度、音场、总流量、浓度值、ph值和应变力等物理量的精确测量。光纤线传感器的应用范畴很广，基本上涉及到社会经济和国防安全上全部关键行业和大家的生活起居，特别是在能够安全性合理地在极端自然环境中应用，处理了很多制造行业很多年来始终存有的瓶颈问题，具备挺大的市场的需求。具体表现在下列好多个层面的应用：

城市规划建设中公路桥梁、水坝、油气田等的干预手机 陀螺仪 和光纤传感器工作压力传感器 的应用。光纤传感器可预埋件在混泥土、复合材料增强塑料及各种各样高分子材料中，用以检测 应力 松弛、工程施工地应力和动载荷地应力，进而评定公路桥梁短期内工程施工环节和长期性运营情况的构造特性。

在供电系统，必须测量溫度、电流量等主要参数，如对高压 变压器 和大中型 电动机 的电机定子、电机转子内的温度测量等，因为电类控制器易受磁场的干挠，没法在这种场所中应用，只有用光纤传感器。分布式系统光纤线温度 感应器 是近些年发展趋势起來的这种用以即时测量空间温度场遍布的高新科技，分布式系统光纤线溫度传感技术系统软件不但具备***光纤传感器的优势，还具备对光纤线沿岸各点的溫度的遍布传感技术工作能力，运用这类特性人们能够持续即时精确测量光纤线沿岸几千米内各点溫度，精度等级达到米的重量级，精确测量精密度达到1度的水准，十分可用大范畴相交点温度测量的应用场所。

除此之外，光纤传感器可以应用于铁路线监控器、火箭推进系统软件及其油井检验等层面。光纤线另外具有带宽、大空间、长距离传送和可保持多主要参数、分布式系统、节能型传感技术的明显优势。光纤线传感技术能够持续吸取 光纤通信的新技术应用、新元器件，各种各样光纤传感器即将在物联网技术中获得运用。

一文读懂光纤传感器

光纤最早是应用于光的传输，适合长距离传递信息，是现代信息社会光纤通信的基石。光波在光纤中传播的特征参量会因外界因素的作用而间接或直接地发生变化，由此光纤传感器就能分析探测这些物理量、化学量和生物量的变化。

光纤传感器

　　光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。其基本原理是将光源的光经入射光纤送人调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。

　　光纤传感器的分类

　　光纤传感器按结构类型可分两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能性（传光型）传感器。

　　功能型传感器

　　利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作为传感元件，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，再通过被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。

　　光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，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。

　　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。

　　根据被调制的光波的性质参数不同，这两类光纤传感器都可再分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振态调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。

　　1） 强度调制型光纤传感器

　　基本原理是待测物理量引起光纤中传输光光强的变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量。一恒定光源发出的强度为的光注入传感头，在传感头内，光在被测信号的作用下其强度发生了变化，即受到了外场的调制，使得输出光强的包络线与被测信号的形状一样，光电探测器测出的输出电流也作同样的调制，信号处理电路再检测出调制信号，就得到了被测信号。

　　这类传感器的优点是结构简单、成本低、容易实现，因此开发应用的比较早，现在已经成功的应用在位移、压力、表面粗糙度、加速度、间隙、力、液位、振动、辐射等的测量。强度调制的方式很多，大致可分为反射式强度调制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸收系数强度调制等等。

　　一般反射式强度调制、透射式强度调制、折射率强度调制称为外调制式，光模式称为内调制式。但是由于原理的限制，它易受光源波动和连接器损耗变化等的影响，因此这种传感器只能用于干扰源较小的场合。

　　2） 相位调制型光纤传感器

　　基本原理是：在被测能量场的作用下，光纤内的光波的相位发生变化，再用干涉测量技术将相位的变化转换成光强的变化，从而检测到待测的物理量。相位调制型光纤传感器的优点是具有极高的灵敏度，动态测量范围大，同时响应速度也快，其缺点是对光源要求比较高同时对检测系统的精密度要求也比较高，因此成本相应较高。

　　目前主要的应用领域为：利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器；利用赛格纳克效应的旋转角速度传感器(光纤陀螺)等。

　　3） 频率调制型光纤传感器

　　基本原理是利用运动物体反射或散射光的多普勒频移效应来检测其运动速度，即光频率与光接收器和光源间运动状态有关。当它们相对静止时，接收到光的振荡频率；当它们之间有相对运动时，接收到的光频率与其振荡频率发生频移，频移大小与相对运动速度大小和方向有关。

　　因此，这种传感器多用于测量物体运动速度。频率调制还有一些其他方法，如某些材料的吸收和荧光现象随外界参量也发生频率变化，以及量子相互作用产生的布里渊和拉曼散射也是一种频率调制现象。其主要应用是测量流体流动，其它还有利用物质受强光照射时的拉曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；利用光致发光的温度传感器等。

　　4） 偏振态调制型光纤传感器

　　基本原理是利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息。

　　光波是一种横波，它的光矢量是与传播方向垂直的。如果光波的光矢量方向始终不变，只是它的大小随相位改变，这样的光称为是线偏振光。光矢量与光的传播方向组成的平面为线偏振光的振动面。

　　如果光矢量的大小保持不变，而它的方向绕传播方向均匀的转动，光矢量末端的轨迹是一个圆，这样的光称为圆偏振光。如果光矢量的大小和方向都在有规律的变化，且光矢量的末端沿一个椭圆转动，这样的光称为椭圆偏振光。

　　利用光波的偏振性质，可以制成偏振调制光纤传感器。在许多光纤系统中，尤其是包含单模光纤的那些系统，偏振起着重要的作用。许多物理效应都会影响或改变光的偏振状态，有些效应可引起双折射现象。所谓双折射现象就是对于光学性质随方向而异的一些晶体，一束入射光常分解为两束折射光的现象。光通过双折射媒质的相位延迟是输入光偏振状态的函数。

　　偏振态调制光纤传感器检测灵敏度高，可避免光源强度变化的影响，而且相对相位调制光纤传感器结构简单、且调整方便。其主要应用领域为：利用法拉第效应的电流、磁场传感器；利用泡尔效应的电场、电压传感器；利用光弹效应的压力、振动或声传感器；利用双折射性的温度、压力、振动传感器。目前最主要的还是用于监测强电流。

　　5）波长调制型光纤传感器

　　传统的波长调制型光纤传感器是利用传感探头的光谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。

　　此类传感器多为非功能型传感器。在波长调制的光纤探头中，光纤只是简单的作为导光用，即把入射光送往测量区，而将返回的调制光送往分析器。光纤波长探测技术的关键是光源和频谱分析器的良好性能，这对于传感系统的稳定性和分辨率起着决定性的影响。

　　光光纤波长调制技术主要应用于医学、化学等领域。例如，对人体血气的分析、PH值检测、指示剂溶液浓度的化学分析、磷光和荧光现象分析、黑体辐射分析和法布里一珀罗滤光器等。而目前所称的波长调制型光纤传感器主要是指光纤布拉格光栅传感器（FBG）。

　　光纤传感器的特点和优势

　　光纤传感器有极高的灵敏度和精度、固有的安全性好、抗电磁干扰、高绝缘强度、耐腐蚀、集传感与传输于一体、能与数字通信系统兼容等优点。概括如下：

　　(1)高灵敏度；

　　(2)轻细柔韧便于安装埋设；

　　(3)电绝缘性及化学稳定性。光纤本身是一种高绝缘、化学性能稳定的物质，适用于电力系统及化学系统中需要高压隔离和易燃易爆等恶劣的环境中；

　　(4)良好的安全性。光纤传感器是电无源的敏感元件，故应用于测量中时，不存在漏电及电击等安全隐患；

　　(5)抗电磁干扰。一般情况下光波频率比电磁辐射频率高,因此光在光纤中传播不会受到电磁噪声的影响；

　　(6)可分布式测量。一根光纤可以实现长距离连续测控，能准确测出任一点上的应变、损伤、振动和温度等信息，并由此形成具备很大范围内的监测区域，提高对环境的检测水平；

　　(7)使用寿命长。光纤的主要材料是石英玻璃，外裹高分子材料的包层，这使得它具有相对于金属传感器更大的耐久性；

　　(8)传输容量大。以光纤为母线，用传输大容量的光纤代替笨重的多芯水下电缆采集收纳各感知点的信息，并且通过复用技术，来实现对分布式的光纤传感器监测。

　　分布式光纤传感器

　　分布式光纤传感技术是在70年代末提出的，它是随着现在光纤工程中仍应用十分广泛的光时域反射（OTDR）技术的出现而发展起来的。在这十几年里，产生了一系列分布式光纤传感机理和测量系统，并在多个领域得以逐步应用。目前，这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。

　　分布式光纤传感器是采用独特的分布式光纤探测技术，对沿光纤传输路径上的空间分布和随时间变化信息进行测量或监控的传感器。利用光波在光纤中传输的特性，可沿光纤长度方向连续的传感被测量（如温度、压力、应力和应变等），光纤既是传感介质，又是被测量的传输介质。它将传感光纤沿场排布，可以同时获得被测场的空间分布和随时间的变化信息，

　　分布式光纤传感器有以下一些特点：

　　1）分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤；

　　2）一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被测量的二维和三维分布情况；

　　3）系统的空间分辨力一般在米的量级，因而对被测量在更窄范围的变化一般只能观测其平均值；

　　4）系统的测量精度与空间分辨力一般存在相互制约关系；

　　5）检测信号一般较微弱，因而要求信号处理系统具有较高的信噪比；

　　6）由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描、相位的跟踪等处理，因而实现一次完整的测量需较长的时间。

　　由于光纤电缆不易被电磁干扰，因此，分布式光纤温度传感系统通常用于电力电缆热点区位的温度监控和测量。对恶劣环境的把握和管理以及改善野外作业环境需求是促进分布式光纤温度传感系统市场稳定增长的主要原因。同时，传感器电缆部署的技术难题也是这一市场发展面临的主要障碍。

　　随着应用越来越广泛，现在分布式光纤传感器主要用于6大领域，包括管道和近海石油平台等的结构检测；液体管道和大坝的渗漏探测；路面结冰探测、铁路监测；安全系统探测、电力电缆监视；光纤通信生产监测；环境监测和长期温度测量。

　　光纤传感技术研究伴随着光纤技术和光通信技术，迅猛发展起来的一种新型传感技术。近年来，光纤传感在机械、电子仪器仪表、航天航空、石油、化工、食品安全等领域的生产过程自动控制、在线检测、故障诊断等方面，得到了卓有成效的发展和推广。

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