1、本科毕业论文（20 届）光纤传感器特性测量研究与应用所在学院 专业班级 应用物理学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 光纤传感器特性测量研究与应用摘要光纤传感器具有高灵敏度、体积小、质量轻等优点，在当今社会有着广泛的应用前景。本文主要围绕了解光纤传感器的工作原理，理解常见的光纤传感器件特性的原理，测试光纤传感器特性从而展开研究。根据光纤传感器的功能和特性，设计研究光纤传感器的性能。通过光纤位移传感器工作特性研究的实验，了解光纤位移传感器的特性。根据位移传感器的特性研究这种器件的应用。关键词:光纤传感器 光纤传感器件特性 光纤位移传感器 The Study of Testing
2、the Characteristics and application of Fiber Optic SensorABSTRACTFiber Optic Sensor has high sensitivity and is small and has small mass and any other advantages.In todays society it has a wide range of applications.Principle paper focuses on understanding the working principle of fiber optic sensor
3、 and understanding the characteristics of common fiber optic sensor,and testing these characteristics of fiber optic sensor,so we can start the following study.According to the function and characteristics of fiber optic sensor，well design of experiments to study the performance of these devices.Thr
4、ough experiments on characteristics of fiber optic displacement sensor,we can understand the characteristics of the device.Ponder its application according to the characteristics of the fiber optic displacement sensor.Key Words:Fiber optic sensor The characteristics of fiber optic sensor Fiber optic
5、 displacement sensor目 录第一章 绪论 .11.1 光纤传感器的发展 .11.2 光纤的应用 .31.2.1 光层析成像技术 .41.2.2 智能材料 .41.2.3 光纤陀螺与惯导系统 .41.2.4 工业工程类传感器 .5第二章 光纤传感器的理论基础 .72.1 强度调制型光纤传感器与相位调制型光纤传感器 .72.1.1 光强调制型光纤传感器 .82.1.2 相位调制型光纤传感器 .92.2 常见光纤传感器应用 .122.2.1 光纤温度传感器 .122.2.2 光纤压力传感器 .14第三章 光纤传感器特性测量实验 .173.1 实验目的 .173.2 基本原理 .17
6、3.3 实验内容 .17第四章 总结与展望 .20参考文献 .21致谢 .22天津理工大学 2015 届本科毕业论文说明书1第一章 绪论传感器在日常生活中人们通常认为是自动化产品，并且在市场上出售也是按照单个的器件或者是仪器来购买，加上人们对传感器的认知也不足，所以人们对它的范围界定就不是那么明确。但人们不可否认它的用途并且在应用方面不可或缺，这些都使得它在生活中越来越受到重视。光纤传感器在现实社会中有着广泛的应用，比如在电子通信、土木工程、石油管道和探测技术等方面都有很好的优越性。并且现在中国的物联网行业也是相当的火热，传感器在其中起着不可或缺的作用。随着现代社会人们对通信的要求越来越高，光
7、纤在通讯行业的运用是相当之广泛，在这方面的带动之下，光纤传感器成为传感器中的新晋贵族，因为它简单的结构，测量范围相当广，传输速度相当的快速，精度也远优于传统的传感器等长处，所以它在于传统传感器竞争方面有着无可比拟的优势。整个社会对光纤传感器的需求也日益增大，其中美国对传感器仪表的需求远大于其他国家，在 2014 年度达到了 16 亿美元，有着广泛的市场前景。光纤传感器从被测量的物理量来看，它的种类是相当的丰富，包括震动、PH 值、流量、电压、电流、弯曲等各种被测量参数，当然，传统的传感器能够测量的物理量它一般都能胜任。本文着重介绍光纤传感器特性方面的测量研究，这也是我们了解光纤传感器的一种重要
8、途径，也是开发新的光纤传感器应用的先决条件，这就是掌握光纤 传感器特性测量的意义所在。在本文中将主要介绍光纤传感器的发展与应用、光纤传感器的四大应用领域。1.1 光纤传感器的发展光学技术是光纤传感器的基础，我们需要测量的参数都是通过光纤以信号的方式进行传输。光信号不但可以被直接地感知，还可以进行光电和电光上的相互转换，又因为光纤维本身就是低损耗的传输线，可以在很远的距离就可以对被测物体或者区域进行检测，这些都为光纤传感器在现实生活中的各种应用奠定了基础。天津理工大学 2015 届本科毕业论文说明书2在二十世纪七十年代，人们开始注意到光纤可以构成一种直接交换信息的基础，还不需要其他元件就能可以把
9、待测的量和光纤内的导光系统相联系起来，这就是光纤传感器。70 年代中期，由美国海军研究所所主持的光纤控制系统，这个系统用光纤译码方式的光纤传感器系统代替直升机驾驶员的控制，这就是光纤传感器的诞生之始。从那以后，光纤传感器出现在全球的实验室中。到 80 年代这近十年的时间里，光纤传感器已经多达近百种，并且它在制造工业、国防系统、科研系统、能源系统、医学和化学等方面都得到了实际上的应用。目前的情况是，已经有一些传感器已经做成了产品投入市场，但是大多数还停留在实验室研究阶段，目前已有 70 多种光纤传感器。目前，世界各国研究和应用光纤传感器都很广泛和深入了，其中几个研究工作开展得比较早的国家情况是:
10、首当其冲的是美国，美国对光纤传感应用方面发展是相当成功的，它研究的项目是:光纤陀螺，现代数字光纤控制系统，光纤传感系统，民用研究计划，飞机发动机监控，核辐射监控。以上的计划仅在1983 年就投资近十四亿美元。和大多数国家一样，也是全球光纤传感器领域普遍存在的问题，即使美国开始得最早，它的研究也就存在于大型的研究机构、各大院校和国家部门而已。光纤传感器首先起源于美国对国防军事领域的运用，投资远大于其他国家，在各方面都已经取得了显著的成果，将其他国家抛在了后面。英国政府为了光纤传感器的发展，也在全球率先建立了传感器协会，该协会主要是促进协会内成员之间相互协作，将光纤传感器行业的资源相对的集中在一起
11、，也取得了很大的成功。德国在光纤传感领域也有很高的成就，尤其是在光纤陀螺的制作方面，超过了除美国之外的其他国家。在很早的年代西门子公司就研制出了高压光纤电流传感器的试验样机。日本的光纤传感器研究也属于世界前列，每年在光应用方面投入大量的资金和人力。从二十世纪八十年代到如今，日本的一些大型公司和研究机构对光纤传感器申请了大量的专利，也将这些专利应用于大型工厂和它们的产品，它们在光电子领域的研究是相当值得借鉴的。天津理工大学 2015 届本科毕业论文说明书3和以上国家有些不同的是，我国对光纤传感器行业发展的相对比较晚，相对落后于其他发达国家，我们的大多数研究也是停留在实验室阶段，还没有完成研究到应
12、用再到产品的过渡。但是随着国家经济的腾飞，我国对光纤传感的需求越来越大，投入得越来越多，这些都将带动整个行业的发展。1.2 光纤的应用光纤传感技术的应用研究领域有以下四大类：光层析成像技术，光陀螺与惯性导航系统，智能材料和常规工业工程传感器。从被测量看，光纤传感器有弯曲、震感、流量、加速度、流体、电流、电压辐射等各种光纤传感器。这些光纤传感器在社会的各个领域都有很大应用前景，比如在国防方面的应用可以提高军队的战斗力，工业工程方面也有很大的促进作用。其中又按照光纤传感器的各种调制不同又有不同的分类。图 1-1 是生活中能遇到的对它的一种具体应用。图 1-1 围墙上的光纤传感器1.2.1 光层析成
13、像技术天津理工大学 2015 届本科毕业论文说明书4光（纤）层析成像技术发展了仅仅有三十多年的时间。我们可以按照应用原理的不同将它分为：光相干层析成像分析（OCT）和光过程层析成像技术（OPT ）。光纤相干层析成像技术（OCT)在医学方面运用的很多，比如身体内部组织内视还有观察血液流动数据等。它的工作原理基于光的相干原理。而 OPT 在工业和建筑方面运用居多，尤其是在石油管道的铺设和后期管理监测方面有着极大的应用。由于 OPT 应用对空间方面没有要求，在很多其它传感器无法工作的环境下，都可以安全工作，它在安全测量工业工程有着独特的优越性。1.2.2 智能材料智能材料听着有点抽象，它也是发展了几
14、十年，行业内的人才对它有所了解。智能材料指是将一些敏感元件嵌入我们需要的材料之中，当这些材料工作是，可以对它们的运行状态和安全性能进行监控。对于这种技术，我们需要的材料和光纤和导线的有效结合是智能材料发展与应用的关键问题，。美国很多大学都在对这一关键问题进行大量研究。美国军方也定向地需要这种智能材料，为士兵提供更加强大的装备。智能材料很多的大型建筑物上，如水电站、桥梁等的检测在很多的建设中有着很多具体的应用。此外，智能材料在军事上面也有很大的用途，研制更加智能的装备，提高士兵的战斗力。1.2.3 光纤陀螺与惯导系统光纤陀螺在很早阶段就已经进入了实用，在飞机上就运用了光纤陀螺，北京航空航天大学就
15、有全国唯一一个专业研究光纤陀螺的应用。对于光纤陀螺的研究，主要是研究它的结构，如何实现它变得更小还有一些原理性的研究。图1-2 是光纤陀螺的结构图。天津理工大学 2015 届本科毕业论文说明书5图 1-2 光纤陀螺结构图十九世纪九十年代，中级的光纤陀螺由于采用了很多实用的新型技术，使光纤陀螺成本大大降低，而且性能也有跨越性的提升，体积也变得更加精巧，并率先用于国防军事领域以及航空航天部门。现代社会对光纤陀螺的应用也非常丰富，在民用的飞机和汽车工业方面也有诸多应用，在未来光纤陀螺将会受到社会的重视，因为它的应用已经渗透到生活的方方面面。1.2.4 工业工程类传感器在电厂和很多电力设施中，我们会运用到很多测量电压和电流的一类传感器，这些也都是工业工程类的传感器。如图 1-3 为光纤电流传感器的具体解决方案。 天津理工大学 2015 届本科毕业论文说明书6图 1-3 光纤电流传感器解决方案用于监测方面的传感器运用也是非常广泛，不仅在石油等特殊的工业领域有应用，在极其普通的民用方面都可以看到它们的身影。光纤传感器系统的研究越来越完善，很多实验室研究也逐步的转化为产品，逐步地走进了人们的日常生活中，就连小区围墙都装上了光纤传感器。开发新型的光纤材料也对光纤传感器的发展有着基础性的影响，这些都得得利与光纤通讯行业的巨大推动，随着光纤材料的进步，也会降低光纤传感器的成本。
