光纤传感(教案)（范文模版）

第一篇：光纤传感(教案)（范文模版）

第一章 光纤传感器

1.1 概论

1.1.1 光纤传感器技术的形成及其特点

（1）来源

上世纪70年代发展起来的一门崭新的技术，是传感器技术的新成就。

最早用于光通信技术中。在实际光通信过程中发现，光纤受到外界环境因素的影响，如：压力、温度、电场、磁场等环境条件变化时，将引起光纤传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等变化。

（2）特点

灵敏度高、结构简单、体积小、耗电量少、耐腐蚀、绝缘性好、光路可弯曲，以及便于实现遥测等。

1.1.1 光纤传感器的组成与分类

（1）组成

光纤、光源、探测器

（2）分类：一般分为两大类

功能型传感器：利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器。

只能用单模光纤构成。

传光型传感器：光纤仅仅起传输光波的作用，必须在光纤端面或中间加装其它敏感元件才能构成传感器。主要由多模光纤构成。

（a）功能型

（b）传光型

图1-1 光纤类型

根据对光调制的手段不同，光纤传感器分为：强度调制型、相位调制型、频率调制型、偏振调制型和波长调制型等。

根据被测参量的不同，光纤传感器又可分为位移、压力、温度、流量、速度、加速度、振动、应变、电压、电流、磁场、化学量、生物量等各种光纤传感器。

举例：

功能型：测温等

传光型：光纤血流计 1.2 光导纤维以及光在其中的传输

1.2.1 光导纤维及其传光原理

(1)芯子：直径只有几十个微米；芯子的外面有一圈包层，其外径约为：100－200m(2)数值孔径：NAsinmaxn12n22

(3)光纤（或激光）的模：包括横模和纵模

激光的横模：光束在谐振腔的两个反射镜之间来回反射将形成各种光程差的光波存在，这些光波的相互干涉可能使振动加强或减弱。但是只有那些加强的光波才有可能产生振荡。显而易见，这些光波的位相差必须是2的整数倍，即

2N

—光波在谐振腔中经过一个来回时的位相差。同时又知道：

2nL



L—谐振腔的长度； n—腔内介质的折射率；

—激光波长。

根据上面两个式子得出符合谐振条件的光波波长为

N

或谐振频率为

NNc2nL2nLN

激光的纵模：原则上谐振腔内可以有无限多个谐振频率，每一种谐振频率代表一种振荡方式，成为一个模式。对轴向稳定的光场分布模式通常称为轴模或纵模。

光纤的纵模：沿着芯子传输的光，可以分解为沿轴向与沿界面传输的两种平面波成分。因为沿截面传输的平面波是在芯子与包层的界面处全反射的，所以，每一往复传输的相位变化是2整数倍时，就可以在界面内形成驻波。像这样的驻波光线组又称为“模”。“模”只能离散地存在。就是说，光导纤维内只能存在特定数目的“模”传输光波。如果用归一化频率表达这些传输模的总数，其值一般在22—24之间。归一化频率

2aNA

能够传输较大值的光纤成为多模光纤；仅能传输小于2.41的光纤称为单模光纤。二者都称为普通光纤。越小，越容易实现单模。1.3 光纤传感器对光源的要求

1.3.1 对光源的要求

（1）由于光纤传感器结构有限，要求光源的体积小，便于与光纤耦合；

（2）光源要有足够的亮度；

（3）光波长适合，以减少传输损耗；

（4）光源工作时稳定性好、噪声小，能在室温下连续长期工作；

（5）便于维修，使用方便。

1.3.2 光源的种类

光纤传感器使用的光源分为相干光源和非相干光源两大类。

常用的相干光源有：半导体激光器、氦氖激光器和固体激光器等。

常用的非相干光源有：白炽光源、发光二极管。

1.4 光纤传感器用光探测器

1.4.1 光纤传感器对光探测器的要求

一般要求如下：

（1）线性好，按比例地将光信号转换为电信号；

（2）灵敏度高，能敏感微小的输入光信号，并输出较大的电信号；（3）响应频带宽、响应速度快，动态特性好；（4）性能稳定，噪声小等。

1.4.2 光纤传感器常用的光探测器

在光纤传感器中常用的光探测器大多是光电式传感器（也称光电器件）。光电式传感器所应用的效应分为内光电效应与外光电效应。内光电效应又分为光电导效应、光生伏特效应和光磁电效应。

光纤传感器常用的光探测器有：（1）光敏二极管、光电倍增管。

它们的特点是响应速度较快，一般只需要几个纳秒。

一般只适宜于近红外辐射或可见光范围内使用。（2）光敏电阻

它是利用光电导效应：即当光照射在某些半导体材料表面上时，透入内部的光子能量足够大，半导体材料中一些电子吸收了光子的能量，从原来束缚状态变成为能导电的自由状态，这时半导体的电导率增加，也就是电阻值下降。

（3）光电池

利用光生伏特效应，直接将光能转换为电能的光电器件，它是一个大面积的pn结。

1.5 光调制技术

光纤传感器也利用光调制技术。按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和波长调制等。所有这些调制过程都可以归结为将一个携带信息的信号叠加到光在波上。而能完成这一过程的器件称为调制器。1.5.1 相位调制与干涉测量

相位调制常与干涉测量技术并用，构成相位调制的干涉型光纤传感器。

其基本原理是通过被测物理量的作用，使某段单模光纤内传播的光波发生相位变化。

实现干涉测量的常用干涉仪主要有四种：迈克耳逊干涉仪、马赫—泽德干涉仪、赛格纳克干涉仪和法布里—珀罗干涉仪。

光学干涉仪的共同特点是它们的相干光在空气中传播，由于空气受环境温度变化的影响，引起空气的折射扰动及声波干扰。这种影响就会导致空气光程的变化，从而引起测量工作不稳定，以致准确度降低。利用单模光纤作干涉仪的光路，就可以排除上述影响，并可以克服光路加长时对相干长度的严格限制，从而可以制造出千米量级光路长度的干涉仪。

图1-2 3db耦合器

当一真空中波长为0的光入射到长度为L的光纤时，若以其入射端面为基准，则出射光的相位为

2L/0K0nL

式中，K0为光在真空中的传播常数；n为纤芯折射率。

由此可见，纤芯折射率的变化和光纤长度L的变化都会导致光相位的变化，即

K0(nLLn)

3dB耦合器：

如图所示，圆圈内的两股光纤是融合到一起的，所以输入为1，输出就为0.5，故称为3dB耦合器。

10lgP1P010lg0.5P0P03.01

1.5.2 频率调制

光纤传感中的相位调制（或强度调制、偏振调制）是通过改变光纤本身的内部性能来达到调制的目的，通常称为内调制。而频率（或波长调制），基本上不是以改变光纤的特性来实现调制。因此，在这种调制中光纤往往只起着传输光信号的作用，而不是作为敏感元件。

一、光学多普勒频移原理

（1）相对论多普勒频移基本公式

光学中的多普勒现象是指由于观察者和目标的相对运动，使观察者接受的光波频率产生变化的现象。

f1f1v/c2121v/ccosf1v/ccos

式中，c为真空中的光速；为物体至光源方向与物体运动方向的夹角。

上述公式是相对论多普勒频移的基本公式。但是，一般最关心的还是物体所散射的光的频移，而光源与观察者是相对静止的。对于这种情况，可以作为双重多普勒来 考虑。

图1-3 多普勒频移

当物体相对于光源以速度v运动时，在P点所观察到的光频率为上面公式：

f1f1v/c2121v/ccosf1v/ccos1

在Q处观察到的光频率f2为

f2f11v/c由于v＜＜c，所以上式写成

f2f2121v/ccosf1v/ccos2

1(v/c)cos1cos2

二、光纤多普勒技术

利用光纤多普勒频移原理，利用光纤传光功能组成测量系统，可用于普通光学多普勒测量装置不能安装的一些特殊场合，如密封容器中流速的测量和生物体中液体的测量。

1.6 光纤位移传感器

一、简单的光纤开关、定位装置

最简单的位移测量时采用各种光开光装置进行的，即利用光纤中光强度的跳变来测出各种移动物体的极端位置，如定位、技术，或者是判断某种情况。测量精度最低，它只反映极限位置的变化，其输出是跳变的信号。

图1-4 简单的光纤开关、定位装置

（a）计数装置；（b）编码器装置；（3）定位装置；（4）液位控制装置

二、移动球镜光学开关传感器

图1-5所示为一种移动球镜位移传感器原理图，这是一种高灵敏度面位移检测装置。当球透镜在平衡位置时，从两个接收光纤得到的光强I1和I2是相同的。如果球透镜在垂直于光路方向上产生微小的位移，两光强将发生变化。光强比值I1I2的对比数值与球透镜位移量x呈线性关系，而光强的比值I1I2与初始光强无关。即：

lgI1I2kx

图1-5 移动球镜位移传感器原理图

三、光纤自动测位装置

图1-6所示是用光纤传感器检测位置偏差的自动测位装置见图。被测工件在传送带上移动，两组光纤传感器的视场分别对准工件的两个边缘，测量工件边缘影响位置的变化。

第二篇：光纤传感实验报告

光纤传感实验报告

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。

3、实验结论 1、光纤光栅温度传感器有较好得温度灵敏度;2、升温时与降温时灵敏度数据有差别； 3、通过实验发现不同封装与加工工艺对光纤光栅温度传感器对温度得灵敏度有很大影响，增敏封装后得光纤传感器灵敏度提高比较明显。2、3 两种封装光纤光栅降温波长输出对比

第三篇：光纤传感物联网的应用

光纤传感物联网技术与应用

随着科学技术的不断进步，为了达到实时控制、精确管理、科学决策的目的，人们对事物的感知、控制的要求越来越高。在通信技术与互联网技术飞速发展的带动下，物联网应运而生，将成为继计算机互联网与移动通信之后的又一次信息革命。

这个学期，姜德生教授在学科导论中，给我们详细的讲解了光纤传感物联网的技术与应用，包括物联网的结构，传感网的分类，光纤传感物联网的现状及其关键技术。通过学科导论的学习，以及课后阅读的关于光纤传感物联网的知识，我对光纤传感物联网技术有了一个大概的了解，下面我就简要的谈一下我对光纤传感物联网的认识。

我国早在1999年就开始了物联网的基础——传感网的研究。中科院在该将传感网的研究列入了知识创新工程，启动了传感网的研究，只是由于当时的条件，该研究仅限于特定用途的军用传感网。国内物联网的真正兴起，是源于温家宝总理2009年8月在无锡视察中科院无锡微纳传感网工程技术研发中心时，对该中心予以高度关注，指出：“在传感网发展中，要尽早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”，“在国家重大专项中，加快推进传感网发展，指出要尽快突破核心技术，把传感技术和TD的发展结合起来，建设感知中国中心”。自此，物联网在中国社会受到了极大关注，被列入国家五大新兴战略产业之一。下面我介绍光纤传感物联网的内容和应用。

1、物联网的研究内容与难点

物联网的技术构成主要包括四个层次：a、传感网络，它是由众多传感器节点组成的有线或无线通信网络，节点密集部署在所关注的物或事物的内部或周围，实现对物的连接、感知和监控；b、数据传输网络，通过现有的互联网、无线通信网或者一些专用的通信网络，实现传感网探测数据和控制信息的控制与分发；c、数据处理技术，主要涉及数据的海量存储与管理、云计算、数据模型表示和智能化处理等；d、用户与应用接口，包括计算机和手机等终端设备。在这四个层面上，物联网的主要研究内容是：（1）总体技术的研究；（2）研究如何建立物联网的顶层架构；（3）制定相关的标准体系；（4）引导和规范物联网的技术。

2、光纤传感器在物联网中的应用

在物联网中要用到各种各样的大量的传感器。传感器可用于感知各种各样的环境参数，如温度、重力、光电、声音、位移、振动等，为物联网提供最原始的数据信息，经过处理后为人们提供服务。

随着通信技术的飞速发展，光纤传感器迅速崛起，其集成了光纤技术、激光技术和光电探测等多领域所取得的巨大成就，以其体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、数据传输安全、集传输传感合二为

一、便于构成分布式传感网络等诸多优点，在物联网这一新技术革命的推动下，正在越来越广泛应用于国民经济和人们日常生活的各个领域，大有取代电子传感器之势。

光纤传感系统主要由光源、传输光纤、探测器与信号处理部分等组成。光源发出的光经过光纤传输至传感头，当光通过传感头时，根据光纤传感器的设计不同，外部被测物理量对光的相位、强度、波长、偏振态等一个或多个参数进行调制。调制信号光经光纤传输至光电探测器后转化为电信号，经过信号处理后还原出被测物理量。

光纤传感网络，就是把光纤传感器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种重大工程设施中，通过光缆连接，形成所谓“光纤传感网络”，然后将此“光纤传感网络”与现有的互联网整合起来，构成“光纤物感网”，即“光纤物联网”。它与无线物联网组合在一起，实现人类社会与物理系统的整合。在这个整合的网络当中，存在功能强大的中心计算机群，采集和存储着物理的与虚拟的海量信息，通过分析处理与决策，完成从信息到知识、再到控制指挥的智能演化，进而实现整合网络内的人员、机器、设备和基础设施，实施实时的管理和控制。在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，从而提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。在这“智慧地球”的建设过程中，这种三纤合一的、新的光纤传感网络将为之作出革命性的贡献，从而使光纤技术的发展再一次迈向新的高峰。

第四篇：光纤光栅传感方式的特征及优点论文

1.引言

在对港口机械设备结构应力状态的监测中，主要有基于电阻应变电测技术的监测方法和基于光纤光栅传感技术的监测方法，其配套设备、数据采集原理、系统框架都存在巨大的差异。

2.电测式监测系统基本构成应变电测法的测量系统通常由应变片、应变仪、记录仪及计算分析设备等部分组成。它的基本原理是:将应变片按构件的受力状况，合理的固定在被测构件表面，当构件受力变形时，应变片的电阻值就发生相应的变化。通过电阻应变仪将这种电阻值的变化测量出来，并换算成应变值或输出与应变成正比的模拟电信号(电流或电压)，用记录仪器记录此电信号，再作分析与处理。也可用分析设备或计算机按预定的要求直接接受模拟电信号并进行数据处理，从而得到应力、应变值或其他物理量。基于电阻应变电测技术的港机金属结构远程在线监测系统基本框架图描述如下：

3.光纤光栅式监测系统的基本构成光纤光栅式结构监测系统的设备通常包括以下几类:①光纤光栅应变传感器;②数据接收器;③光纤光栅解调器;④工控机(数据分析系统);⑤无线局域网+远程主机等(如果需要实现远程监测，则还需要在采集器中集成数据远程传输模块)。综合看来，基于光纤光栅传感技术的港机金属监测方法系统一般框架图可以描述如下:此系统中，光纤光栅传感器直接埋入或粘贴在结构的表面，以进行结构状态的在线全程信号采集(其中包括用于结构关键部位健康状传感器和用于结构损伤诊断的传感器)，在结构上合理布置的。再用多种复杂技术(时分，频分和波分)对光信号进行直接传输。从重大工程结构上采集后的光信号，通过远程传输光纤网络，传输到健康监测和损伤诊断中心。同时，可以在中心对数据采集方式进行远程调控。

4.两种方式的比较

4．1传感原理比较

①电阻应变测试技术。电阻应变测试技术，它是采用电阻应变计(又称电阻应变片)作为传感元件将构件表面应变转化为电阻变化，然后用电阻应变仪把电阻变化转换成电压或电流变化，经放大并测量这种变化再用其他仪器记录，由所测应变换算出应力。应变片测量应变的工作原理是基于金属丝的电阻随其机械形变而变化的一种特性。令金属丝的长度为L，直径为D，截面积为A，电阻率为，则金属丝的电阻为:K与两个因数有关，一个是电阻丝材料的泊松比，由电阻丝几何尺寸改变引起，当选定材料后，泊松比为常数;另一个是电阻丝发生单位应变引起的电阻率的改变，对大多数电阻丝而言也是一个常量。因此可以认为是一个常数。由此可见，应变片的电阻变化率与应变值呈线性关系。②光纤光栅传感技术。如图3所示，当一束宽光谱光λ，经过光纤Bragg光栅时，被光栅反射回一单色光λB，相当于一个窄带的反射镜。反射光的中心波长λB与光栅的折射率变化周期Λ和纤芯有效折射率neff有关。光纤光栅的传感与原理如图4所示。光纤光栅的反射或透射波长主要取决于光栅周期改变量ΔΛ和反向耦合模的有效折射率neff，任何使这两个参数发生改变的物理过程都将引起光栅波长的漂移，具体的关系式如下:由于光栅无论是拉伸还是压缩，均会导致光栅周期发生变化。此外，光纤本身具有的弹光效应决定了它的有效折射率neff必定随外界应力状态的变化而变化，因此应力应变是所有反映光栅波长漂移的最直接外界因素，这就是光纤光栅材料可以制作成光纤应变传感器并检测应力应变特性等基本物理参量的重要原因。试验证明，采用光纤光栅温度补偿传感器可以克服温度对应变测量的影响。

4.2传感器的性能比较

①干扰问题。电阻式传感器响应输出的电信号易受环境因素(如温度、湿度、电磁干扰等)的影响，进而导致传感的准确度、灵敏度、持久性的降低。光纤光栅传感器的测量信息是波长编码的，所以，光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响，有较强的抗干扰能力;同时光纤光栅具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点。

②分布性能及布线问题。电类传感器大多为分离型器件，不易与复合物集成，没有分布测量的能力，并且需要另外的信号传输载体，导致传感器及引线的巨大增加，现场实施困难。光纤光栅传感器在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，可实现分布式传感。

③寿命问题。受光纤材料的影响，光纤传感器存在抗外力能力弱的缺点，使用时需做好保护工作。由于光纤光栅比较脆弱，在恶劣工作环境中非常容易破坏，因而需要对其进行封装后才能使用。较为传统的传感组元和传感技术如应变片、加速度计、超声设备等并不具备上述能力，但是随着传感器制作工艺的不断精细化及其使用市场的扩大化，此类传感器的使用寿命正逐渐得到改善和加强。

④被测参量的多样、多维性。基于波长调制的光纤光栅式传感器，可以在统一的光纤介质下，依据不同原理制作生产出光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、位移传感器、压力传感器等。在此基础下，信号的转换处理程序较为便利。⑤配套设备设施。由图1、2可知，电测式监测系统除电阻式传感器外，所需的设备有动态应变解调仪、屏蔽电缆、若干条并接应变片的电缆(有线情况下)等，而光纤光栅式监测系统除光纤光栅式应变传感器外，还需要一条串接传感器的光纤线及光纤光栅解调仪等基本设备。

5.结束语

结合上面的分析及描述，从传感原理、传感器性能以及监测系统实用性和经济性等多方面综合比较，可以得出下表1的结论。从上面的分析看来，光纤光栅式传感器在技术上整体优于应变电测式传感器。逐渐成熟并发展的基于光纤光栅传感技术的监测方法克服了电类传感器在检测中出现的相关问题，可实现远距离传感监测，且灵敏度也大大的提高，提升了整个监测系统的工作品质。光纤传感技术特别是光纤光栅传感技术应用于大型港口起重机械领域，将为大型港口起重机械健康监测和安全状况评估注入新的活力，为起重机械长期在线健康监测学科的发展带来了契机。

第五篇：传感论文

摘要：压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。下面是对压力式传感器的介绍。

Abstract: the pressure sensor is the most commonly used in industrial practice of a sensor,which is widely used in various industrial control environment, relating to the water conservancy and hydropower, railway transportation, intelligent building, production control, aerospace, military, petrochemical, oil, electricity, shipbuilding, machine tools, pipeline and other industries.The following is the introduction of pressure sensor.关键词：压力传感器工作原理，应用范围以及发展方向.Key word: Pressure type msensor working principle, application range and development direction of online translation.一．应变片压力传感器原理与应用

力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。

在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。

金属电阻应变片的内部结构：它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。

电阻应变片的工作原理：金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m）S——导体的截面积（cm2）L——导体的长度（m）

我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情.二．陶瓷压力式传感器原理及应用

抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥(闭桥)，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触 陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。

三．压电压力传感器原理与应用

压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的 “居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用

现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。

压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛

压电式传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。

我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。

压力传感器已成为各类传感器中技术最成熟、性能最稳定、性价比最高的一类传感器。因此对于从事现代测量与自动控制专业的技术人员必须了解和熟识国内外压力传感器的研究现状和发展趋势。

四．压力传感器国内外研究现状

从世界范围看压力传感器的发展动向主要有以下几个方向。（一）光纤压力传感器

这是一类研究成果较多的传感器,但投入实际领域的并不是太多。它的工作原理是利用敏感元件受压力作用时的形变与反射光强度相关的特性,由硅框和金铬薄膜组成的膜片结构中间夹了一个硅光纤挡板,在有压力的情况下,光线通过挡板的过程中会发生强度的改变,通过检测这个微小的改变量,我们就能测得压力的大小。这种敏感元件已被应用与临床医学,用来测扩张冠状动脉导管气球内的压力。可预见这种压力传感器在显微外科方面一定会有良好的发展前景。同时,在加工与健康保健方面,光纤传感器也在快速发展。

（二）电容式真空压力传感器

E + H公司的电容式压力传感器是由一块基片和厚度为0.8～2.8mm的氧化铝(Al2O3)构成,其间用一个自熔焊接圆环钎焊在一起。该环具有隔离作用,不需要温度补偿,可以保持长期测量的可靠性和持久的精度。测量方法采用电容原理,基片上一电容CP 位于位移最大的膜片的中央,而另一参考电容CR 位于膜片的边缘,由于边缘很难产生位移,电容值不发生变化,CP 的变化则与施加的压力变化有关,膜片的位移和压力之间的关系是线性的。遇到过载时,膜片贴在基片上不会被破坏,无负载时会立刻返回原位无任何滞后,过载量可以达到100 %,即使是破坏也不会泄漏任何污染介质。因此具有广泛的应用前景。

（三）耐高温压力传感器

新型半导体材料碳化硅的出现使得单晶体的高温传感器的制作成为可能。实验结果表明,在输入电压为5V ,被测压力为6.9MPa 的条件下,23500 ℃时的满量程输出为44.66～20.03mV ,满量程线度为20.17 % ,迟滞为0.17 %。在500 ℃条件下运行10h ,性能基本不变, 在100 ℃和500 ℃两点的应变温度系数(TCGF), 分别为20.19 %/ ℃和-0.11 %/ ℃。这种传感器的主要优点是PN 结泄漏电流很小,没有热匹配问题以及升温不产生塑性变型,可以批量加工。Rene 报导了使用单晶体n 型β-碳化硅材料制成的压力传感器,这种压力传感器工作温度可达573K,耐辐射。

（四）硅微机械加工传感器

在微机械加工技术逐渐完善的今天,硅微机械传感器在汽车工业中的应用越来越多。而随着微机械传感器的体积越来越小,线度可以达到1～2mm ,可以放置在人体的重要器官中进行数据的采集。

（五）具有自测试功能的压力传感器

为了降低调试与运行成本,Dirk De报导了一种具有自测试功能的压阻、电容双元件传感器,它的自测试功能是根据热驱动原理进行的,该传感器尺寸为1.2mm ×3mm ×0.5mm ,适用于生物医学领域[7 ]。(六)多维力传感器

六维力传感器的研究和应用是多维力传感器研究的热点,现在国际上只有美、日等少数国家可以生产。在我国北京理工大学在跟踪国外发展的基础上,又开创性的研制出组合有压电层的柔软光学阵列触觉,阵列密度为2438tactels/ cm2 ,力灵敏1g ,结构柔性很好,能抓握和识别鸡蛋和钢球,现已用于机器人分选物品[8 ]。

五．压力传感器的发展趋势

当今世界各国压力传感器的研究领域十分广泛,几乎渗透到了各行各业,但归纳起来主要有以下几个趋势:(1)小型化目前市场对小型压力传感器的需求越来越大,这种小型传感器可以工作在极端恶劣的环境下,并且只需要很少的保养和维护,对周围的环境影响也很小,可以放置在人体的各个重要器官中收集资料,不影响人的正常生活。

(2)集成化压力传感器已经越来越多的与其它测量用传感器集成以形成测量和控制系统。集成系统在过程控制和工厂自动化中可提高操作速度和效率。

(3)智能化由于集成化的出现,在集成电路中可添加一些微处理器,使得传感器具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能。

(4)广泛化压力传感器的另一个发展趋势是正从机械行业向其它领域扩展,例如:汽车元件、医疗仪器和能源环境控制系统。

随着硅、微机械加工技术、超大集成电路技术和材料制备与特性研究工作的进展,使得压力传感器在光纤传感器的批量生产、高温硅压阻及压电结传感器的应用成为可能,在生物医学、微型机械等领域,压力传感器有着广泛的应用前景。

参考文献：

（1）《传感检测与测量仪器》 付涛主编 河南工业大学出版社

（2）《传感器与检测技术》 宋文绪，杨帆主编 第二版 高等教育出版社（3）《智能传感器系统》 刘君华 西安电子科技大学出版社

河南机电高等专科学校

《电子测量与传感器原理》大作业

题目：压力式传感器在工业方面的应用

系 部 电子通信工程系 专 业 应用电子技术 班 级 应电103 学生姓名 校付苹 学 号 100415103

2012 年 月 20 日