传感器实验报告--光纤传感器静态实验

传感器实验报告--光纤传感器静态实验（精选8篇）

传感器实验报告--光纤传感器静态实验 篇1

１、基础理论 1 1、1 1 光纤光栅温度传感器原理

1、１、1 光纤光栅温度传感原理 光纤光栅得反射或者透射峰得波长与光栅得折射率调制周期以及纤芯折射率有关,而外界温度得变化会影响光纤光栅得折射率调制周期与纤芯折射率，从而引起光纤光栅得反射或透射峰波长得变化,这就是光纤光栅温度传感器得基本工作原理.光纤 Bragg 光栅传感就是通过对在光纤内部写入得光栅反射或透射 Brａｇg 波长光谱得检测，实现被测结构得应变与温度得绝对测量。由耦合模理论可知，光纤光栅得 Bragｇ中心波长为

式中 Λ为光栅得周期;nｅff 为纤芯得有效折射率。外界温度对 Bｒａgg 波长得影响就是由热膨胀效应与热光效应引起得。由公式(1）可知,Bｒagg 波长就是随与而改变得。当光栅所处得外界环境发生变化时,可能导致光纤光栅本身得温度发生变化。由于光纤材料得热光效应，光栅得折射率会发生变化;由于热胀冷缩效应，光栅得周期也会发生变化，从而引起与得变化，最终导致 Brａｇg 光栅波长得漂移。

只考虑温度对 Bragｇ波长得影响，在忽略波导效应得条件下,光纤光栅得温度灵敏度为

式中Ｆ为折射率温度系数;α 为光纤得线性热膨胀系数；p１1 与 p12 为光弹常数。

由式（2)可知光纤光栅受到应变作用或当周围温度改变时，会使 n eｆf 与发生变化,从而引起Ｂｒａgg 波长得移动。通过测量Ｂrａｇg 波长得移动量,即可实现对外部温度或应变量得测量。

1、1、2 光纤光栅温度传感器得封装 为满足实际应用得要求,在设计光纤光栅温度传感器得封装方法时，要考虑以下因素:(1)封装后得传感器要具备良好得重复性与线性度;(2）必须给光纤光栅提供足够得保护,确保封装结构要有足够得强度;(3）封装结构必须具备良好得稳定性,以满足长期使用得要求。为了能够有效起到增敏作用一般采用合金、钢、铜、铝等热膨胀系数大得材料对光纤光栅进行封装。

１、１、2、1 蝶形片封装

1、1 蝶形片封装 光纤预拉后两头用环氧树脂固定在蝶形片上，中间光栅工作区悬在槽内,测量时将蝶形片固定在待测物体上。

1、1、2、2 套管封装 套管分装一类就是在套管内填充环氧树脂进行温度补偿式分装,另一类就是套管封装。

1、２钢管内腔充满环氧树脂封装

1、3 管式封装 1、1、2、３其她封装方式 考虑到待测物及增敏敏效果等其她因素，还有其她一些特殊封装方式。

2、光纤光栅温度传感器得具体实验 2 2、1 1 实验目得

(1)掌握光纤光栅温度传感器得基础理论知识（２)验证光纤光栅温度传感器相关理论（３)对比光纤光栅温度传感器在不同封装情况下传感效果（4)学会各类仪器得造作与使用（5)学会相关数据处理方法 2 2、2 2 实验器材

温控箱、波长解调仪、两只支光纤光栅传感器(一支经过增敏镀膜处理)、相关软件 2 2、2 2 实验过程

2、1 实验系统组成结构图(1）将各类器件按结构图连接好，将 Bｒaｇg 光栅温度传感器放入温控箱内,检查温控箱气密性。

(2)打开数据采集软件、解调仪,检查传感器联通情况。

(３)打开温控箱电源进行升温实验,温度从 30°到 80°每次１0°递增。

（4）温控箱温度恒定时记录数据采集软件相关数据。(记录时间间隔 1－1000ms)（5)达到８0 摄氏度后，进行降温实验,温度从 80°到 3０°每次 1０°递减．(6)温控箱温度恒定时记录数据采集软件相关数据。

(7）数据处理与分析 ２、３采集数据

（一)升温

℃

4０ ℃

℃

℃

７0 ℃

℃

温度:℃

波长:nm

１ 1３19、7852 1３19、８801 1319、９75 132０、0745 １32０、19 13２0、３４11 1 0 0、0949 0、1898 0、2８93 0、４０48 0、５５59 ２ １３2０、5314 1３20、６３９８ 1320、７45 13２０、8５7 1３20、975 １３21、１0１9 2 0 0、1084 0、21３６ 0、325６ 0、4436 ０、57０５（二）降温

８0 ℃

℃

6０ ℃

５0 ℃

℃

3０ ℃1３20、3411 1３20、１9 1320、074５ １３1９、９７5 13１9、880１ １３19、７８52 1 0、5559 0、4048 0、2893 ０、１89８ 0、０９49 ０ 2 1321、１019 １320、９7５ 132０、85７ 1320、74５ 13２0、63９８ 13２０、531４ 2 0、570５ 0、4436 0、325６ 0、2１36 ０、1084 0 温度:℃

波长:nm 2 2、2 两种封装光纤光栅升温波长输出对比

ﻬ２、4 4 实验数据 分析

传感器得静态特性就是表示传感器在被测输入量得各个值处于稳定状态时得输入一输出关系.衡量传感器静态特性得主要技术指标就是:线性度、灵敏度、迟滞与重复性。

2、4、１线性度 线性度又称非线性,就是表征传感器输出一输入校准曲线与所选定得拟合直线之间吻合程度得指标。通常用相对误差来表示线性度,即

式中,△ｍａx 为输出平均值与拟合直线间得最大偏差;为理论满量程输出.本次实验采用最小二乘法直线法。2、４

正常封装传感器升温波长2、4 正常封装传感器升温波长增量图

从图中可以瞧出,正常封装传感器得灵敏度就是 S=0、０1０89，线性度=99、748%。2、5 5 增敏封装传感器升温波长变化量图

从图中可以瞧出，增敏封装传感器得灵敏度就是 S＝0、０1１26，线性度=９9、693%。2、6 正常封装传感器降温波长变化量图

从图中可以瞧出,增敏封装传感器得灵敏度就是 S＝0、01０66,线性度=９８、９０6％。

２、7 增敏封装传感器降温波长变化量图

从图中可以瞧出,增敏封装传感器得灵敏度就是 S=０、01134,线性度=99、85２% 测量数据处理汇总表

升温普通 升温增敏 灵敏度提高 降温普通 降温增敏 灵敏度提高 灵敏度 ０、０10８９ 0、01126 3、398％ 0、01066 0、０1１34 6、379% 线性度 ９9、7５% 99、69%

98、9１% 9９、８5%

从表中可以可以瞧出增敏后传感器灵敏度有明显提高。

传感器实验报告--光纤传感器静态实验 篇2

光纤声传感器具有灵敏度高、隐蔽性好、抗电磁干扰以及结构元件无金属化等优点,在工业、军事、医疗等领域都具有广泛的应用[1,2,3,4,5]。基于反射式强度调制原理的光纤声传感器,由于其结构简单,因而更具有成本低、可靠性高的优势[1,2]。

反射式强度调制型光纤声传感器的基本原理是由膜片敏感声音信号并发生振动,对接收光强度进行调制,通过检测接收光强度的变化还原待测声音信号[5]。目前,针对该类型的光纤微位移传感器以及光纤振动传感器的研究已有广泛的报道[2,7,8]。研究表明,为了获得最佳的探测灵敏度,光纤声传感器必须工作在最佳工作距离,并且最佳工作距离是唯一的[2,6,7]。当工作距离偏离最佳工作点时,传感器的探测灵敏度会有很大的降低[9],因此最佳工作距离的准确判断与定位技术对该类传感器的性能有非常重要的研究价值。

针对上述问题,本文提出了一套光纤声传感器的实验系统。该实验系统能够对传感器的工作距离进行精确的调节,同时自动采集不同工作距离下系统的接收光强度,并绘制出系统的特性曲线;通过对采集到的数据进行分析,得到传感器的灵敏度特性,并确定系统的最佳工作距离与工作区间;通过反馈信号控制光纤精密调节架将系统的工作距离调节至最佳,以保证传感器获得最高的探测灵敏度。同时采用该系统对光纤声传感器进行了实验研究,并对实验结果进行了分析。

1 实验系统

光纤声传感器属于微结构系统,系统的元件尺寸与工作距离都在微米量级,因此对实验装置的调节精度有较高的要求。为了能够满足调节精度的要求,并且对系统的最佳工作距离进行精确的判断与定位,本文中设计了如图1所示的实验系统。

该实验系统由距离调节、光强采集和数据分析三部分组成。用于实验研究的光纤声传感器元件被固定在光纤精密调节架上,通过微调架控制器控制光纤与反射膜片之间的距离。在光纤声传感器的敏感单元中,通过在玻璃基板上刻槽的方法,将发射光纤和接收光纤固定成平行结构,其中发射光纤和接收光纤的芯径均为100/125μm,数值孔径为0.22。将带有光纤的玻璃基板固定在图1中所示的外套管中,并保证光纤轴与外套管轴平行。为了确保敏感元件的无金属化要求,外套管选用陶瓷材料。将光纤、基板及外套管构成的整体部件固定在光纤精密调节架上。传感器敏感单元中用于敏感振动的反射膜片采用厚度为0.1μm、直径为4 mm的金属箔片,将金属箔片固定在外径为5 mm、内径为4 mm、厚度为1 mm的金属垫环上。出于热膨胀影响的考虑,垫环的材料与膜片材料一致。将覆有膜片的垫环固定在导声管的底边,导声管也为陶瓷材料。将膜片、垫片以及导声管构成的整体部件固定在粗调架上。将光纤精密调节架与粗调架固定在稳定平台上,通过粗调架使带有膜片的导声管套入外套管中,其中通过各部件的尺寸设计来保证光纤与反射膜片的垂直关系。同时为了配合的顺畅,实验前已对外套管的内壁和导声管的外壁进行了抛光处理。

将各元件固定好后,对光纤声传感器进行在线调节与装配。发射光纤与带尾纤的LED光源连接,光源波长为850 nm,出纤功率为200μW,接收光纤与光功率计连接,光功率计采用JDSU公司的OLP-55产品,对接收到的光功率进行在线的自动采集。通过光纤调节架调节传感器的工作距离时,采用Melles Griot公司的17ANH001/MD微调架控制器以2μm的步进速率减小光纤与反射膜片之间的距离,同时计算机同步记录接收到的光功率,由此得到不同工作距离下系统接收光强度数据。根据传感器灵敏度的定义,通过对记录的接收光强度数据求导[7],得到工作距离与灵敏度的关系,进而分析得到系统的最高灵敏度Sopt、最佳工作距离dopt、最佳工作距离对应的接收光强度Popt以及系统的工作区间(最佳灵敏度变化3 d B时对应的工作距离范围)。参照最佳工作点对应的接收光强度Popt,计算机向微调架控制器发送反馈控制信号,逐步增大系统的工作距离,并实时监测接收光强度Pn,当Pn=Popt时,认定系统已达到最佳工作距离。在此状态下对传感器进行封装,在封装过程中监视接收光强度的变化,并进行实时微调,以保证工作点始终在最佳工作点处。

2 实验结果及分析

根据上述实验系统得到的系统接收光强度数据,绘制出系统的特性曲线如图2所示。可见实验结果与参考文献[7]中给出的仿真结果有很好的一致性,同时实验结果中的曲线是平滑的,没有畸点和毛刺,说明本实验系统中通过微调架调节光纤与膜片之间距离的过程是顺畅的。

通过对图2曲线中各点求导[7],得到了如图3所示的系统灵敏度曲线。灵敏度曲线上的最大值点和最小值点分别对应了图2曲线中前坡的灵敏度值最大值点和后坡的灵敏度值最大值点。对图2和图3进行分析,可知当工作距离为dopt1=160μm时,得到前坡的最佳探测灵敏度Sopt1=0.118μW/μm,对应接收到的光功率为Popt1=13.25μW,并且系统在前坡的工作区间为[45μm,275μm];当工作距离为dopt2=580μm时,得到后坡的最佳探测灵敏度为Sopt2=-0.026μW/μm,对应接收到的光功率为Popt2=22.85μW,工作区间为[440μm,1 200μm]。比较可知,当系统工作在前坡灵敏度最佳点时,具有较高的探测灵敏度和较小的工作区间,工作在后坡灵敏度最佳点时,具有较小的灵敏度和较大的工作区间,实验结果与参考文献[5]中的仿真结果一致。当光纤声传感器工作时,由于声音信号引起膜片的振动量通常只有几微米[10],因此对传感器的灵敏度有较高的要求,但对工作区间要求较低。由此可见,对光纤声传感器而言,工作点选取在前坡灵敏度最佳点更为合适。

确定了传感器的最佳工作距离后,计算机向微调架控制器发送反馈控制信号,调节实际工作距离至最佳。具体方法为:单向步进调节传感器的工作距离,并实时监测接收光强度Pn,当同时满足条件Pn-Pn-1>0和|Pn-Pn-1|<1μW时,则认定系统已达到最佳工作距离,并在该位置对传感器进行封装。

封装后的声传感器的传感头如图4所示。采用上述出纤功率为200μW的LED光源,接收端采用Agilent公司的HFBR2416光电转换模块(光电转换效率为7.8 mV/μW),直接将光信号转换成电信号输出。采用该传感器对声压为1 Pa、频率为1 kHz的标准声音信号的进行测试,测试结果如图5所示,传感器的探测灵敏度为16 mV/Pa。

3 结论

本文提出了一套能用于光纤声传感器在线数据采集、分析与精确调节的实验系统。该系统通过记录和分析不同工作距离下传感器的接收光强度,得到了传感器的灵敏度特性,包括传感器最佳工作点、探测灵敏度以及工作区间。控制光纤调节架将传感器工作距离精确定位到最佳距离并固定,以使系统获得最高的探测灵敏度。利用该实验系统对光纤声传感器进行了实验研究,给出了传感器的特性曲线与灵敏度曲线。实验结果表明,传感器的最佳工作距离为160μm,对标准声压信号的探测灵敏度为16 mV/Pa。该实验系统为光纤声传感器的研究提供了良好的实验平台,对其工程化进行了初步的探索。

参考文献

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[5]Chambers John,Bullock Dave,Kahana Yuvi,et al.Developments in active noise control sound systems for magnetic resonance imaging[J].Applied Acoustics(S0003-682X),2007,68(3):281-295.

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[9]Buchade P B,Shaligram A D.Influence of fiber geometry on the performance of two-fiber displacement sensor[J].Sensors and Actuators A(S0924-4247),2007,136(1):199-204.

光电传感器实验研究 篇3

关键词：光电效应；光电传感器；光敏材料

一、理论基础——光电效应

光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。外光电效应是指在光照射下，电子逸出物体表面的外发射的现象，也称光电发射效应，基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。内光电效应是指入射的光强改变物质导电率的物理现象，称为光电导效应，大多数光电控制应用的传感器，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等都属于内光电效应类传感器。

1.外光电效应

光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大，电子会克服束缚逸出表面，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应。

根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv（v为光波频率，h为普朗克常数），由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律：

式中，m为电子质量，v为电子逸出的初速度，w为逸出功。

由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是hv>w。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长为 式中，c为光速，w为逸出功。

2.内光电效应

当光照射到半导体表面时，由于半导体中的电子吸收了光子的能量，使电子从半导体表面逸出至周围空间的现象叫外光电效应。利用这种现象可以制成阴极射线管、光电倍增管和摄像管的光阴极等。半导体材料的价带与导带间有一个带隙，其能量间隔为Eg。一般情况下，价带中的电子不会自发地跃迁到导带，所以半导体材料的导电性远不如导体。但如果通过某种方式给价带中的电子提供能量，就可以将其激发到导带中，形成载流子，增加导电性。光照就是一种激励方式。当入射光的能量hν≥Eg（Eg为带隙间隔）时，价带中的电子就会吸收光子的能量，跃迁到导带，而在价带中留下一个空穴，形成一对可以导电的电子——空穴对。这里的电子并未逸出形成光电子，但显然存在着由于光照而产生的电效应。因此，这种光电效应就是一种内光电效应。从理论和实验结果分析，要使价带中的电子跃迁到导带，也存在一个入射光的极限能量，即Eλ=hν0=Eg，其中ν0是低频限（即极限频率ν0=Egh）。这个关系也可以用长波限表示，即λ0=hcEg。入射光的频率大于ν0或波长小于λ0时，才会发生电子的带间跃迁。当入射光能量较小，不能使电子由价带跃迁到导带时，有可能使电子吸收光能后，在一个能带内的亚能级结构间（即图1中每个能带的细线间）跃迁。

二、光电器件及其特性

1.光敏电阻

1）光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

2）光敏电阻的伏安特性测量

（1）按原理图1连接好实验线路，将光源用的标准钨丝灯和光敏电阻板置测试架中，电阻盒以及转接盒插在九孔板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供。

（2）通过改变光源电压或调节光源到光敏电阻之间的距离以提供一定的光强，每次在一定的光照条件下，测出加在光敏电阻上电压U为+2V、+ 4V、+6V、+8V、+10V时5个光电流数据，即 ，同时算出此时光敏电阻的阻值 。以后逐步调大相对光强重复上述实验，进行5～6次不同光强实验数据测量。

由图可知，在一定光强下，光敏电阻的光电流与光电压成线性关系，随电压的增大二增大，并且，光强越大，其增长越快。

2、光敏二极管

1）光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的，其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。

2）光敏二极管的伏安特性测量

（1）按原理图2接好实验线路，将光电二极管板置测试架中、电阻盒置于九孔插板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供，光源电压0～12V（可调）。

（2）先将可调光源调至相对光强为“弱光”位置，每次在一定的照度下，测出加在光敏二极管上的反偏电压与产生的光电流的关系数据，其中光电流： （l.00KΩ为取样电阻R），以后逐步调大相对光强（5～6次），重复上述实验。

传感器实验教案 篇4

一、实验目的：了解开关式霍尔传感器测转速的应用

二、基本原理：开关式霍尔传感器是线性霍尔元件的输出信号经放大器放大，再经施密特触发器整形成矩形波（开关信号）输出的传感器。开关式霍尔传感器测转速的原理图如图所示：当被测圆盘上装有只磁性体时，圆盘每转一周，磁场变化6次，开关式霍尔传感器就同频率f相应变化输出，再经转速表显示转速n。

三、实验仪器：传感器实验台

四、实验步骤：

1、根据图将霍尔转速传感器安转于霍尔架上，传感器的端面对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为2~3mm。

2、将主机箱中的转速调节电源0~24V旋钮调到最小（逆时针方向转到底）后接入电压表（电压表量程切换开关打到20V档）：其它接线按图所是连接（注意霍尔转速传感器的三根引线的序号）：将频频转速表的开关按到转速档。

3、检查接线无误后合上主机箱电源开关，在小于12V范围内（电

压表监测）调节主机箱的转速调节电源（调节电压改变直流电机电驱电压），观察电机转动及转速表的现实情况。

4、从2V开始记录，每增加1V相应电机转速的数据（待电机转速稳定后读取数据）；画出电机的V-n（电机电驱电压与电机转速的关系）特性曲线，实验完毕，关闭电源。

五、思考题：

利用开关式霍尔传感器测转速时被测对象要满足什么条件？

实验二

磁电式传感器测转速实验

一、实验目的：了解磁电式测量转速的原理。

二、基本原理：磁电传感器是一种将被测物理量转化成为感应电势的传感器，也称为电 动式传感器。根据电磁感应定律，一个匝数为N的线圈在磁场中切割磁力线时穿过线圈的磁通量发生变化，线圈两端就会产生感应电势，线圈中感应电势为：eNddBNS。在线圈匝数一定的情况下，感应电势的大小与穿过该线圈的磁dtdt通变化率成正比。当传感器的线圈匝数和永久磁钢选定（即磁场强度已定）后，使穿过线圈的磁通量发生变化的方法有两种：一种是让线圈和磁力线作相对运动，即利用线圈切割磁力线而使线圈产生感应电势；另一种则是把线圈和磁钢部固定，靠衔铁运动来改变磁路中的磁阻，从而改变通过线圈的磁通。因此，磁电式传感器可分为两大类型：动磁式及可动衔铁式（即可变磁阻式）。本实验应用动磁式磁电传感器，实验原理框图如图20-1所示。当转动盘上嵌入6个磁钢时，转动盘每转一周磁电传感器感应电势e产生6次的变化，感应电势e通过放大，整形由频率表显示f，转速n=10f。

三、需用器件与单元：

0~24V直流稳压电源、电压表、频频/转速表；磁电式传感器、转动源。

四、实验步骤：

磁电式转速传感器测速试验除了传感器不用接电源外（传感器探头中心与转盘磁钢 对准），其它完全与开关式霍尔传感器测转速原理相同；请按图20-2示意按装、接线并按照实验九中的步骤做实验。实验完毕，关闭电源。

五、思考题：

磁电式转速传感器测很低的转速时会降低精度，甚至不能测量。如何创造条件保证磁电式转速传感器正常测转速？能说明理由吗？

实验三

光纤位移传感器

一、实验目的：了解光纤位移传感器的工作原理和性能。

二、基本原理：光纤传感器是利用光纤的特性研制而成的传感器。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能耐等，它还能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目作用，而且还能超越人的生理界限，接受人的感官所感受不到的外界信息。

光纤传感器主要分为两种：功能型光纤传感器及肺功能型光纤传感器（也称为物性性和结构型）。功能型光纤传感利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤，构成“传”和“感”合为一体的传感器。这里光纤不仅起传光的作用，而且还起敏感作用。工作时利用检测量去改变描述光束的一些基本参数，如光的强度、相位、偏振、频率等，它们的改变反应了被测量的变化。由于对光信号的检测通常使用光电二极管等光电元件，所以光的那些参数的变化，最终都要被光接受器接受并被转化成强度及相位的变化。这些变化信号处理后，就可得到被测的物理量。应用光纤传感器的这种特性可以实现力，压力、温度等物理参数的测量。非功能型光纤传感器主要是利用光纤对光的传输作用，由其它敏感元件与光纤信息传输同路组成测试系统，光纤在此仅起传输作用。

本实验采用的是传光型光纤传感器，它由两束光纤混合后，组成Y形光纤，半圆分布即双D分布，一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接受光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测物体相距d,由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体放射回来，另一束光纤接收光信号由光电器转换器转化成电量，如图26-1。

传光型光纤传感器位移量测是根据传送光纤的光场与受讯光纤交叉地方视景做决定。当光纤探头与被测物体接触或零间隙时（d=0），则全部传输光量直接被反射至传输光纤。没有提供光给接收端之光纤，输出讯号便增大，当探头与被测物之距离增加时，接受端之光纤接受之光量也越多，输出讯号便增大，当探头与被测物之距离增加到一定值时，接受端光纤全部被照明为止，此时也被称之为“光峰值”。达到光峰值后，探针与被测物之距离继续增加时，将造成放射光扩散或超过接收端接收视野。使得输出信号与量测距离成反比例关系。如图26-2曲线所示，一般都选用线性范围较好的前坡为测试区域。

三、器件与单元：

直流稳压电源、万用电表、Y型光纤传感器、测微头、反射面（抛光铁圆片）

四、实验步骤：

1、观察光纤结构，两根多模光纤组成Y型位移传感器，将两根光纤尾部端面（包括铁部）对准自然光照射，观察探头端面现象，当其中一根光纤的尾部端面用不透光纸挡住时，在探头端观察半圆双D型结构。

传感器实验报告--光纤传感器静态实验 篇5

一、教材分析

本节继第三节介绍四种传感器的应用实例之后，再进一步拓展学生的视野，提高学生的认识和分析能力以及动手能力，并通过实验的方法，让学生在组装和调试中，更为深入地认识传感器的应用。

二、教学目标 1．知识目标：

（1）、知道二极管的单向导电性和发光二极管的发光特性。（2）、知道晶体三极管的放大特性。(3)、掌握逻辑电路的基本知识和基本应用。2．能力目标：

通过实验的方法，让学生在组装和调试中，更为深入地认识传感器的应用。3．情感、态度和价值观目标：

培养学生的学习兴趣，倡导以创新为主，实践为重的素质教育理念。

三、教学重点难点 重点：传感器的应用实例。

难点：由门电路控制的传感器的工作原理。

四、学情分析

我们的学生属于理解较差，动手能力不好，尽量让学生多动手，必要时需要教师指导并借助动画给予直观的认识。

五、教学方法

PPT课件，演示实验，讲授

六、课前准备

1．学生的学习准备：预习新课，初步把握实验原理及方法步骤。

2．教师的教学准备：多媒体课件制作，课前预习学案，课内探究学案，课后延伸拓展学案。3．教学环境的设计和布置：四人一组，课前准备好斯密特触发器或非门电路，二极管，三极管，蜂鸣器，滑线变阻器，热敏电阻，光敏电阻等材料用具。

七、课时安排：1课时

八、教学过程

（一）预习检查、总结疑惑

检查落实了学生的预习情况并了解了学生的疑惑，使教学具有了针对性。

（二）情景导入、展示目标。

上节课我们学习了温度传感器、光传感器及其工作原理。请大家回忆一下我们学了哪些具体的温度、光传感器？ 学生思考后回答：电饭锅，测温仪，鼠标器，火灾报警器

这节课我们将结合简单逻辑电路中的知识学习由门电路以及传感器控制的电路问题。

（三）合作探究、精讲点拨。

探究一：（！）普通二极管和发光二极管

1、二极管具有单向导电性

2、发光二极管除了具有单向导电性外，导电时还能发光，普通发光二极管使用磷化镓或磷砷化镓等半导体材料制成，直接将电能转化为光能，该类发光二极管的正向导通电压大于1.8V。

（2）晶体三极管

1、三极管具有电流放大作用。

2、晶体三极管能够将微弱的信号放大，晶体三极管的三个极分别是发射极e，基极b和集电极c。

3、传感器输出的电流和电压很小，用一个三极管可以放大几十倍或几百倍，三极管的放大作用表现为基极b的电流对集电极c的电流起了控制作用。

（三）逻辑电路

逻辑门电路符号图包括与门，或门，非门，1．与逻辑

对于与门电路，只要一个输入端输入为0，则输出端一定是0，只有当所有输入端输入都同为1时，输出才是1.2．或逻辑

对于或门电路，只要一个输入端输入为1，则输出一定是1，反之，只有当所有输入端都为0时，输出端才是0.3.非门电路

对于非门电路，当输入为0时，输出总是1，当输入为1时，输出反而是0，非门电路也称反相器。

4.斯密特电路：

斯密特触发器是特殊的非门电路，当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值1.6V时，输出端Y会突然从高电平调到低电平0.25V，而当输入端A的电压下降到另一个值的时候0.8V，Y会从低电平跳到高电平3.4V。斯密特触发器可以将连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号。而这正是进行光控所需要的。

探究点二：应用实例

1、光控开关

电路组成：斯密特触发器，光敏电阻，发光二极管LED模仿路灯，滑线变阻器，定值电阻，电路如图所示。工作原理：天明时，RG变小，流过R1的电流变大，A端输入电压降低到0.8V，Y会从低电平跳到高电平3.4V，LED上的电压低于正向导通电压1.8V，LED不会发光，当天色暗到一定程度时，RG变大，输入端A的电压升高到某一个值1.6V时，输出端Y突然从高电平跳到低电平0.25V，此时加在LED上的正向电压大于导通电压1.8V，二极管LED发光。特别提醒：要想在天暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大一些，这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值1.6V，就需要RG的阻值达到更大，即天色更暗。拓展：如果电路不用发光二极管来模拟，直接用在电路中，就必须用到电磁继电器。如下图。

2．温度报警器（热敏电阻式报警器）

结构组成：斯密特触发器，热敏电阻，蜂鸣器，变阻器，定值电阻，如图所示。工作原理：常温下，调整R1的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声，当温度升高时，热敏电阻RT阻值减小，斯密特触发器输入端A电势升高，当达到某一值（高电平），其输出端由高电平调到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声，R1的阻值不同，则报警器温度不同。

特别提示：要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应该减小R1的阻值，R1阻值越小，要使斯密特触发器输入达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高。典型例题：

1.与门的输入端输入信号为何时，输出端输出“1”（）A.0 0 B.0 1 C.1 0 D.1 1 答案：D 2.或门的输入端输入信号为何时，输出端输出“0”（）A.0 0 B.1 0 C.0 1 D.1 1 答案：A 3.联合国安理会每个常任理事国都拥有否决权，假设设计一个表决器，常任理事国投反对票时输入“0”，投赞成或弃权时输入“1”，提案通过为“1”，通不过为“0”，则这个表决器应具有哪种逻辑关系（）

A.与门 B.非门 C.或门 D.与非门 答案：A 4.图是一个复合门电路，由一个x门电路与一个非门组成.若整个电路成为一个与门，则x电路应是（）

A.与门 B.或门 C.与非门 D.或非门 答案：C 5.“第4题”中的整个电路若成为一个或门，则x电路应是（）答案：D

（四）反思总结，当堂检测。

教师组织学生反思总结本节课的主要内容，并进行当堂检测。设计意图：引导学生夯实基础并对所学内容进行简单的反馈纠正。（课堂实录）

（五）发导学案、布置预习。

我们已经学习了几种传感器的基本元件，这节课后大家可以课下先对本章内容做一个总结并构建知识网络。完成本节的课后练习及课后延伸拓展作业。设计意图：总结本章知识。教师课后及时批阅本节的延伸拓展训练。

九、板书设计

第四节：传感器的应用实验教案

1、二极管的特点和作用：单向导电性，发光二极管不但能单向导电性，还能发光。

2、三极管的特点和作用，能放大微弱的电流

3、斯密特触发器的特点和作用：触发器其实由6个非门电路组成

4、斯密特触发器的应用：光控电路，温度报警器

十、教学反思

光纤气体传感器总结 篇6

光纤气体检测综述

1.1国内外光纤气体检测技术的发展

气体传感器是一种把气体中的特定成分检测出来, 并转换成电信号的器件, 人们很早就开始了气体传感器的研究, 将其用来对有毒、有害气体的探测, 对易爆、易燃气体的安全报警。对人类生产生活中所需了解的气体进行检测、分析研究等, 使得它在工业生产和日常生活中起到耳目的作用。

光纤传感技术是一项正在发展中的具有广阔前景的新型高技术。由于光纤本身在传递信息过程中具有许多特有的性质, 如光纤传输信息时能量损耗很小, 给远距离遥测带来很大方便。光纤材料性能稳定, 不受电磁场干扰, 在高温、高压、低温、强腐蚀等恶劣环境下保持不变所以光纤传感器从问世到如今, 一直都在飞速发展[1]。

世界上已有多种光纤传感器，诸如位移、速度、加速度、压力、流量等物理量都实现了不同性能的光纤传感。光纤气体传感技术是光纤传感技术的一个重要应用分支，主要基于气体的物理或化学性质相关的光学现象或特性。近年来，它在环境监测、电力系统以及油田、矿井、辐射区的安全保护等方面的应用显示出其独特的优越性[2]。

1989年，西安应用光学研究所的郭栓运对光纤气体传感器展开研究，在应用光学杂志上介绍了差分光谱吸收的基本原理，给出了实验框图和应用实例[15]。

1992年，中国矿业大学的王耀才等在光纤通信技术杂志上介绍了吸收型光纤瓦斯传感技术和干涉型瓦斯传感器的原理，并对其在煤矿重的应用前景做了探讨[16]。

1997年，山东矿业学院的曹永茂等人针对光纤瓦斯传感器光波波长的选择展开讨论，提出根据传感器技术指标来确定光纤瓦斯传感器的基本参数，并建立了相应的数学模型[17]。

1999年，大连理工大学刘文琦等人报道了一种新型透射式光纤甲烷传感器，用1.31μｍ InGaAsP型LED做光源测量甲烷浓度，通过研究制备一种纳米级多透射膜，增强了甲烷气体对激光的光谱吸收[18]。同年，香港理工大学,靳伟应用调制光盘技术对DFB激光器惊醒调制，研究光纤气体传感器的分时多路复用（TDM）技术。靳伟建立了计算仿真模型，仿真结果表明由20个甲烷气体传感器组成的光纤气体传感器阵列的检测灵敏度可以达到2000ppm[19-20]。之后靳伟博士与清华大学喻洪波合作，实现了连续波调频技术复用的光纤气体多点传感系统[21]。

2000年，浙江大学叶险峰等在对CH4分子近红外洗后光谱分析比较的基础上考虑与光纤的低损耗窗口相一致以及价格等因素，采用价廉的1.3μｍ波段的LED作为光源，实现了对甲烷气体的检测，检测灵敏度为1300ppm/m[6]。

2001年，燕山大学王玉田等根据甲烷气体的吸收光谱，研究了一种利用价格低廉的LED作为光源的新型投射式光纤甲烷气体传感器，选择两种同型号的LED光源作为差分吸收信号，光源驱动器自动实行交替斩波[7]。为了保证系统对甲烷气体检测的精度，采取了两项措施，一是设置了参考通道，二是采用了光源反馈通道以增强LED光源的稳定性[8]。

2005年，张爱军[3]对光谱吸收型光纤气体进行了研究。每一种气体都有固有的吸收谱，当光源的发射光波与气体的洗后光波长相吻合时，就会放生共振洗后，其洗后强度与该气体的浓度有关，通过测量光的吸收强度就可测量气体的浓度。以甲烷气体为例，通过实验研究，分析了吸收路径长度对传感器灵敏度的影响，增加吸收路径的长度，有利于提高传感器的灵敏度。气体体浓度较小时，通过增加吸收路径的长度来提高传感器的灵敏度效果明显。

2006年，中国科学院安徽光机所的阚瑞峰等可调谐二极管激光吸收光谱与多次反射池相结合，研制了用于地面环境空气中甲烷含量检测的便携式吸收光谱仪，并利用不同体积分数的甲烷气体对系统进行了测试，取得了很好的测试结果[9]。王晓梅等分析了TDLAS谐波信号的特征，建立了谐波信号的数学模型，利用较高浓度气体的二次谐波信号作为曲线，对待测气体的谐波信号进行线性回归[10]。

2007年，燕山大学王艳菊等采用双光路、双波长来解决光源功率波动、光纤损耗等问题，在接受端采用旋转双色滤光器和单探测器消除了双光电器件的飘逸对测量结果的影响[11]。同年，中国科学院安徽光机所的陈玖等应用自平衡测量方法，消除了激光的共模噪声和其他同性干扰的影响，该方法不用加信号调制和所想放大器，减小了系统装置的体积，易于集成便携式痕量气体检测仪[12]。

2008年，褚衍平等通过光纤光栅和压电陶瓷对快带光源LED进行调制，获得了与气体吸收峰对应的窄带反射出射光，检测二次谐波实现气体浓度的高灵敏测量，利用测量气室和参考气室的二次谐波比值来消除吸收系数随环境的变化、光源光功率的波动和光路干扰对测量精度的影响[13]。

2009年，华南理工大学肖兵等基于自平衡激光接收器和数字锁定放大器构造了TDLAS汽车尾气动态浓度测量系统，自平衡激光接收器通过引入一个低频反馈回路去维持吸收信号和参考信号的自动平衡，数字锁定放大器由DSP芯片实现相关检测算法，提高了系统的测量灵敏度[14]。

2010年，南京航空航天大学齐洁提出了基于光源扫描的光纤气体传感器系统设计方案，设计了一种新的基于查分吸收院里的气体传感系统，能对单一气体记性对波段测定检测，同时可以完成多种气体共存环境的检测。提出了一种基于最小二乘的背景噪声消除方法。利用传感气室的输入和输出的拟合曲线相除的方法，实现了传感器输出的归一化，解决了传感器背景噪声漂移的问题，同时解决了浓度对气体吸收谱拟合线的影响，提高了测量精度[4]。

2012年，张可可[5]以比尔-郎伯定律为理论基础，研究利用光谱吸收法测量气体的浓度，根据HIRAN数据库，选择近红外区甲烷2v3带R3支的三条气体吸收线记性研究，并确定吸收谱线的相关参数。研究波长调制光谱与谐波检测理论，利用傅立叶级数展开模型和泰勒级数展开模型分析各次谐波信号，在频率调制信号模型的基础上，采用频率-强度调制信号模型研究强度调制对各次谐波信号的影响。研究高斯线型和洛伦兹线型的各次谐波型号余波长调制系数的关系，确定各次谐波最佳的波长调制系数。对激光在光路中多次反射形成的标准具晓莹展开研究，为标准具噪声的抑制提供理论依据。

专利方面，国内发明专利《D形光纤消逝场化学传感器》，发明提出一种用于医疗、环境监控、食品安全等检测量的D形光纤消逝场化学传感器。《光纤生物传感器》这是一种光纤生物传感器，用于测定环境中微生物的种类、含量等。《光纤液位传感器》，一种光纤液位传感器，包括有光源，探测器和传感头。《带有光纤气体传感器的传感系统》 专利号：CN101545860 发明人：夏华;J·S·戈德米尔;K·T·麦卡锡;A·库马;R·安尼格里;E·伊尔梅茨;A·V·塔瓦尔;Y·赵。这是一种包括光纤芯(32)的光纤气体传感器(20),该传感器具有 位于光纤芯周围的具有不同调幅轮廓的第一和第二折射率周期调制光 栅结构（36、38)。光纤包层(40)位于所述第一和第二折射率周期 调制光栅结构周围。敏感层(42)位于所述折射率周期调制光栅结构 的其中一个的光纤包层周围。该敏感层包括由Pd基合金制成的敏感材 料,该Pd基合金例如是纳米PdOx、纳米Pd(x)Au(y)Ni(1-x-y)或纳米 Pd/Au/WOx。光纤气体传感器提供对来自燃烧环境的局部温度校正气 体浓度和成分的测量。本发明也描述了具有一个或多个光纤气体传感 器的阵列的基于反射或基于透射的传感系统。《一种光纤气体传感器》 专利号：CN101059443 发明人：侯长军;霍丹群;张红英;廖海洋;郑小林;侯文生;杨军;皮喜田。这是一种光纤气体传感器,涉及检测光气及挥发性有机气体的光纤气体传感器。本发明传感器 主要包括入射光线和出射光纤、反应池及金属卟啉溶液等。由于本发明传感器具有操作简单、成本低廉；能使待测气体与金属卟啉溶液敏感物质充分反应,显著提高检测的灵敏度；同一 反应池能对多种目标气体同时进行有效检测；从反应池的加料口加入不同的金属卟啉溶液, 就能对不同的目标气体进行有效检测,检测范围广等特点,故本发明传感器可广泛应用于厂 房装修、室内装修、工业生产及精细化工等行业中检测光气及挥发性有机物气体,有利于环 境保护和人们的身心健康。SENSING SYSTEM WITH OPTICAL FIBER GAS SENSOR，专利号：JP2009244262发明人：XIA HUA;GOLDMEER JEFFREY SCOTT;MCCARTHY KEVIN THOMAS;KUMAR ADITYA;ANNIGERI RAVINDRA;YILMAZ ERTAN;TAWARE AVINASH VINAYAK;ZHAO YU。这个专利发明了一种传感系统以及传感器。传感系统包括一组不同类别的光纤气体传感器，这些传感器通过温度修正测量气体浓度。光纤气体传感器包括光纤芯，第一和第二折射率周期性调制光栅结在光纤芯里有不同的振幅调制方法。光纤包层包裹着第一和第二折射率周期性调制光纤结构。传感层位于光纤包层结构中。传感层包括一个由Pb合金传感材料，如纳米级氧化铂等。光纤气体传感器是在燃烧环境中通过温度修正测量气体浓度。

1.2光纤气体传感器分类

（1）光谱吸收型光纤气体传感器 光谱法通过检测样气透射光强或反射光强的变化来检测气体浓度。每种气体分子都有自己的吸收谱特征，光源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的部分才产生吸收，吸收后的光强发生变化。根据比尔-朗伯定律，当波长为λ 的单色光在充有待测气体的气室中

传播距离为L 后，其吸收后的光强为：

I(λ)=I0(λ)exp(-αλCL)（1）

式（1）中，I0(λ)为波长为λ 的单色光透过不含待测气体的气室时的光强；C 为吸收气体的浓度；αλ为光通过介质的吸收系数。整理即：

I0)ICL

（2）

ln(通过检测通气前后光强的变化，就可以测出待测气体的浓度。利用介质对光吸收而使光产生衰减这一特性制成吸收型光纤气体传感器原理如图1 所示。光源发出的光，由光纤送入气室，被气体吸收后，由出射光纤传至光电探测器，得到的信号光送入计算机进行信号处理，可得出气体浓度。

图1 光纤气体传感器原理框图

（2）渐逝场型光纤气体传感器

渐逝场型光纤传感器是利用光纤界面附近的渐逝场被气体吸收峰衰减来测量气体浓度的方法，是一种功能性光纤传感器，从本质上说，可以认为是一种特殊的光纤光谱吸收型传感器。（3）荧光型光纤气体传感器

这是一种通过测量与气体相应的荧光辐射来确定其浓度的光纤气体传感器。荧光可以由被测气体本身产生也可以由其相互作用的荧光染料产生。荧光物质受吸收光谱中特定波长的光照射时，被测气体的浓度既可以改变荧光辐射的强度，也可以改变其寿命。和吸收型光纤气体传感器相比，荧光行传感器使用波长（荧光波长）不同于激励波长。由于不同的荧光材料通常具有不同的荧光波长，因此荧光传感器对被测量的鉴别性好。实际上希望辐射波长和激励波长离开的越远越好，在输出端可用廉价的波长滤波器将激励光和传感光分开。通常激励波长在可见光或红外区，这一波段上光源技术成熟，几个也比较低廉。（4）燃料指示剂型光纤气体传感器

一些气体在石英光纤低耗窗口内没有较强的吸收峰，或者虽有吸收峰但相应波长的光源或检测器不存在或太昂贵，解决这些问题的方法之一是应用燃料指示剂作为中间物来实现间接传感。燃料与被测气体发生化学反应，使得燃料的光学性质发生变化，利用光纤传感器测量这种变化，就可以得到被测气体的浓度信息。最常见的燃料指示剂光纤气体传感器是pH值传感器，一些燃料指示剂的颜色会随着pH值得变化而变化，引起对光的吸收的变化。通过测量某些气体浓度变化带来的pH值变化，分析气体浓度信息。

图 2 1.3 光纤气体传感器的特点

由于光纤本身传输损耗和微型结构，光纤气敏传感器存在两个基本限制：一是光线的低损耗传输窗口的限制，石英光纤只在1.1~1.7um的近红外区有低损耗和低散射。若在中、远红外区进行探测会造成光信号较大的衰弱，致使光通过待测气体后的变化与气体的检测参数不成特定的关系。而多数气体在中、远红外光谱区存在较强的吸收光谱。另一限制是光纤本身的微型结构使得光纤只有较小的数值孔径，光耦合难以很高。但在短距离传输检测中，采用数值孔径较大的塑料光纤可提高光耦合，又不会产生较大的传输损耗。

尽管光纤气体传感纯在限制，但光纤气体传感器较传统的气体传感器仍具有很多优点：

（1）光纤气体传感器本质安全、抗电磁干扰、绝缘性能好，且耐高温、耐高压、防腐蚀、阻燃防爆，适用于远距离遥测和某些特殊环境的分析；（2）光纤传输损耗低，信息容量大，直径细，重量轻，光纤及探头均可微型化；

（3）测量范围宽，精度高，工作稳定，寿命长，成本低，可同时进行多参数或连续多点检测疑惑的大量信息；

（4）系统匹配性能好，容易实现检测及反馈控制的数字化、自动化和一体化；

（5）光纤探头对被测量场的影响小，灵敏度高，动态范围大，响应速度快；（6）光纤的生物兼容性好，加之良好的柔韧性和不带点的安全性，使之尤其适应于生物和临床医学上的实时、体内检测；

（7）在大多数情况先，光纤气体传感器不改变样品的组成，是非破坏性分析。

由于光纤气体闯爱情具有上述有点，尤其他的本质安全、抗电磁干扰的特点，是其他气体传感器无法比拟的。这使它可以安全方便地用于易燃易爆、强电磁干扰或其他恶劣环境中气体的检测。

产品调研

1、北京品傲光电科技有限公司 光纤传感器性能指标如图3：

图 3 系统设备及参数如图4：

图 4 光纤气体传感器课探测气体如图5：

图 5 产品实例图：

10,000 ppm= 1％ v / v（体积之比）价格：

35万左右。基恩士（香港）有限公司

目前产品只能测气体的有无，但工作温度能到达300度

2、深圳富凯士公司

只能测单一气体的话是有成品，但是要将混合气体的成分区分开来的话，我们还在实验室阶段，暂时没有成品提供。

3、北京蔚蓝仕没有相关光纤气体传感器。

浏览多家国外知名气体传感器厂家中国区主页，如英国City Technology；日本费加罗，欧姆龙（只能测物体数量）Nemoto；美国飞思卡尔，欧米伽；德国SENSOR等。未发现相关光纤气体传感器的产品。

长春光机所：期刊论文《用于石油测井和管道运输的分布式光纤传感技术》，阐述了我国分布式压力，温度光纤传感器在石油化工方面的应用情况。

发明专利《D形光纤消逝场化学传感器》，发明提出一种用于医疗、环境监控、食品安全等检测量的D形光纤消逝场化学传感器。《光纤生物传感器》，这是一种光纤生物传感器，用于测定环境中微生物的种类、含量等。《光纤液位传感器》，一种光纤液位传感器，包括有光源，探测器和传感头。安徽光机所： 王晓梅等《基于可调谐二极管激光吸收光谱的高精度痕量气体浓度定量方法》，分析了TDLAS谐波信号的特征，建立了谐波信号的数学模型，利用较高浓度气体的二次谐波信号作为曲线，对待测气体的谐波信号进行线性回归。

参考文献

传感器实验报告--光纤传感器静态实验 篇7

光纤SPR湿敏传感器及其共振光谱特性研究

摘要：提出并研制了基于光纤SPR传感探针的新型湿敏传感器.首先研究了光纤SPR传感探针对环境湿度变化的敏感特性,在此基础上提出在光纤SPR传感探针表面增覆不同厚度且具有水分子吸附功能的PVA薄膜来实现环境相对湿度的监测.研究结果表明,增覆双层PVA薄膜的光纤SPR传感探针在高湿区具有较好监测效果,其共振强度对应的相对湿度测量灵敏度达到1.59％/％RH,较光纤SPR探针呈现显著提高.而增覆单层PVA薄膜的光纤SPR传感探针在高湿区共振波长对应的相对湿度监测灵敏度达到2.411nm/％RH.此外所提出的`新型光纤SPR湿敏探针在PVA薄膜失效后经过特殊工艺处理仍可重复镀膜使用. 作者： 张少华  曾捷  孙晓明  穆昊  梁大开 Author： ZHANG Shao-hua  ZENG Jie  SUN Xiao-ming  MU Hao  LIANG Da-kai 作者单位： 南京航空航天大学机械结构强度与振动国家重点实验室,江苏南京,210016 期 刊： 光谱学与光谱分析   ISTICEISCIPKU Journal： Spectroscopy and Spectral Analysis 年，卷(期)： , 32(2) 分类号： O539 关键词： 光纤传感器    表面等离子体共振(SPR)    湿敏特性    PVA薄膜    机标分类号： TN6 TH1 机标关键词： 新型光纤    SPR    湿敏传感器    共振光谱    特性研究    Humidity Sensor    Optical Fiber    探针    PVA薄膜    环境相对湿度    监测灵敏度    测量灵敏度    吸附功能    湿度变化    敏感特性    监测效果    共振强度    共振波长    工艺处理    高湿 基金项目： 国家自然科学基金，江苏省科技支撑计划项目，江苏省自然科学基金，中国博士后科学基金，江苏省博士后科研计划项目，611航空科研基金，南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金 光纤SPR湿敏传感器及其共振光谱特性研究[期刊论文]  光谱学与光谱分析 --2012, 32(2)张少华  曾捷  孙晓明  穆昊  梁大开提出并研制了基于光纤SPR传感探针的新型湿敏传感器.首先研究了光纤SPR传感探针对环境湿度变化的敏感特性,在此基础上提出在光纤SPR传感探针表面增覆不同厚度且具有水分子吸附功能的PVA薄膜来实现环境相对湿度的监测.研...

传感器实验报告--光纤传感器静态实验 篇8

随着我国经济的发展，电力系统正在朝着超高压、大电网、大容量、自动化的方向发展，一旦发生事故便会对国民经济造成巨大损失。如何对正在运行的电力设备进行在线监测并进行安全预测和温度变化趋势分析?如何通过实时数据对设备质量、运行环境、运行方式、设备老化、负荷不平衡等进行科学分析?这些都是电力系统中迫切需要解决的问题。传统的红外测温仪、红外成像仪、感温电缆、热电阻式测温系统等只能对电力系统的局部位置进行测温，无法为安全、经济运行、高效检修提供科学依据。而分布式光纤测温系统能够实现多点、在线的分布式测量，实现了运行设备的实时在线监测，有效地解决了长期以来现场出现的高温、燃烧、爆炸、火灾等事故应急不备的问题。在电力系统中，这种光纤测温技术在高压电力电缆、电气设备因接触不良引起的发热部位、电缆夹层、电缆通道、大型发电机定子、大型变压器、锅炉等设施的温度定点传感场合具有广泛的应用前景。

分布式光纤测温的基本原理

1.分布式光纤测温系统依据后向散射原理可以分为三种：基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布里渊散射。目前发展比较成熟，且有产品应用于工程的是基于拉曼散射的分布式光纤测温系统。它的传感原理主要依据的是光纤的光时域反射(OTDR)原理和光纤的后向拉曼散射温度效应。

(一)光时域反射(OTDR)原理

当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生散射。在时域里，入射光经后向散射返回到光纤入射端所需时间为t，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L，其中v为光在光纤中的传播速度、C为真空中的光速，n为光纤折射率。在测得时刻t时，就可求得距光源L处的距离。

(二)光纤的后向拉曼散射温度效应

当一个激光脉冲从光纤的一端射入光纤时，这个光脉冲会沿着光纤向前传播。由于光脉冲与光纤内部分子发生弹性碰撞和非弹性碰撞，故光脉冲在传播中的每一点都会产生反射，反射中有一小部分的反射光，其方向正好与入射光的方向相反(亦可称为后向)，

这种后向反射光的强度与光线中的反射点的温度有一定的相关关系。反射点的温度(该点光纤所处的环境温度)越高，反射光的强度也越大。利用这个现象，若能测出后向反射光的强度，就可以计算出反射点的温度，这就是利用光纤测量温度的基本原理。

如用公式来表达：当激光脉冲在光纤中传播时与光纤分子相互作用，会发生瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射，其中拉曼散射是由于光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生的。如果一部分光能转换成热振动，那么将发出一个比光源波长长的光，称为斯托克斯光;如果一部分热振动转换为光能，那么将发出一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯光。根据拉曼散射理论，在自发拉曼散射条件下，两束反射光的光强与温度有关，它们的比值R(T)为：

(1)其中，和分别是斯托克斯光强和反斯托克斯光强，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。从(1)式中可以看出，R(T)仅与温度T有关。因此，我们可以借助反斯托克斯与斯托克斯光强之比来实现温度的测量。

分布式光纤测温系统的传感过程

如图1所示，分布式光纤测温系统的传感过程为：计算机控制同步脉冲发生器产生具有一定重复频率的脉冲，这个脉冲一方面调制脉冲激光器，使之产生一系列大功率光脉冲，另一方面向高速数据采集卡提供同步脉冲，进入数据采集状态。光脉冲经过波分复用器的一个端口进入到传感光纤，并在光纤中各点处产生后向散射光，返回到波分复用器中。后向散射光通过波分复用器中的薄膜干涉滤光片分别滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，经波分复用器的另外两个端口输出，并分别进入到光电检测器(APD)和放大器中进行光电转换和放大，将信号放大到数据采集卡能够采集的范围上。最后由数据采集卡进行存储和处理，用于温度的计算。

分布式光纤测温系统在电力系统中的应用

(一)电力电缆的温度监测