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本课件可查阅光导纤维结构的基础说明、光纤导光原理的实现方式与光纤传感器应用的典型应用，收录原理示意、结构框图与对比数据，配合逐页图示与完整文字版，便于按知识点检索复习。
检测技术与自动化仪表第十章光电传感器2
光纤传感器(FOSFiberOpticalSensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。
光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。
因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。
①电绝缘性能好。
②抗电磁干扰能力强。
③非侵入性。
④高灵敏度。
⑤容易实现对被测信号的远距离监控。
光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量
发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。
在计算机控制下，可产生动态图案。
上海东方明珠
1.光导纤维导光的基本原理光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本原理。
然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间,可以用“光线”即几何光学的方法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。
为此,采用几何光学的方法来分析
斯乃尔定理（Snell'sLaw）当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射（a）折射角大于入射角：（b）临界状态：（c）全反射
2、光纤结构分析光纤导光原理，除了应用斯乃尔定理外还须结合光纤结构来说明。
基本采用石英玻璃，有不同掺杂主要由三部分组成中心——纤芯；
外层——包层；
护套——尼龙料。
•光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，•纤芯折射率N1略大于包层折射率N2（N1＞N2）
各种装饰性光导纤维
光缆的外形及光纤的拉制
3、光纤传光原理光的全反射实验
入射光线AB与纤维轴线OO相交角为θi，入射后折射(折射角为θj)至纤芯与包层界面C点，与C点界面法线DE成θk角，并由界面折射至包层，CK与DE夹角为θr。
则θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1n0sinθi=n1sinθjn1sinθk=n2sinθrsinθi=(n1/n0)sinθjsinθk=(n2/n1)sinθr因θj=90º－θk所以n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般为空气，故n０≈1，nl为纤芯折射率，n2为包层折射率
当θr=90º的临界状态时，θi=θi0上式sinθi0为“数值孔径”NA(NumericalAperture)。
由于n1与n2相差较小，即n1+n2≈2n1,故又可因式分解为Δ=(n1-n2)/n1称为相对折射率差当θr=90º时sinθi0=NAθi0=arcsinNA当θr>90º时，光线发生全反射，则θi<θi0=arcsinNA当θr<90º时，sinθi>NA，θi>arcsinNA，光线消失。
这说明arcsinNA是一临界角,凡入射角θi＞arcsinNA的那些光线进入光纤都不能传播而在包层消失；
相反,只有入射角θi＜arcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播当n０=1时
梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样
单孔型光纤单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）接近于被传输光波的波长，光以电磁场“模”的原理在纤芯中传导，能量损失很小，适宜于远距离传输
光纤传感器结构原理及分类1、光纤传感器结构原理光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。
由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图(b)。
由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。
这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。
敏感元件敏感元件光纤信号处理光接收器光发送器（b）光纤传感器信号处理电源信号接收（a）传统传感器导线
差别:传统传感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。
光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。
它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。
因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即A——电场E的振幅矢量；
ω——光波的振动频率；
φ——光相位；
t——光的传播时间。
可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息
光纤传感器外形
2）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。
此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。
但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。
信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤
3）拾光型光纤传感器用光纤作为探头，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。
信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象
（2）根据光受被测对象的调制形式形式：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。
1）强度调制型光纤传感器是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。
有利用光纤的微弯损耗；
各物质的吸收特性；
振动膜或液晶的反射光强度的变化；
物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；
以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。
优点：结构简单、容易实现，成本低。
缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大
2）偏振调制光纤传感器是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。
有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；
利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；
利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；
利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。
这类传感器可以避免光源强度变化的影响，因此灵敏度高
3）频率调制光纤传感器是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。
有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；
利用物质受强光照射时的喇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）相位调制传感器其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。
通常有利用光弹效应的声、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、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。
这类传感器的灵敏度很高。
但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高
光纤传感器的应用光纤液位传感器
保护管内为高温光纤低温光纤光纤温度传感器
光纤式光电开关反射型遮断型反射镜反射型
光纤式光电开关应用标志孔电路板标志检测当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。
光纤耦合器传输光纤出射光纤
光纤式光电开关应用采用遮断型光纤光电开关对IC芯片引脚进行检测
光纤的其他应用军用光纤陀螺：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。
光纤内窥镜
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