光纤传感器——精选推荐

光纤传感器
光纤传感器
①光纤传感器的基本原理
光纤传感器通过光导纤维把输⼊变量转换成调制的光信号。

光纤传感器的测量原理有两种。

(1) 物性型光纤传感器原理
物性型光纤传感器是利⽤光纤对环境变化的敏感性，将输⼊物理量变换为调制的光信号。

其⼯作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压⼒、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发⽣变化的现象。

因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。

这类传感器⼜被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。

激光器的点光源光束扩散为平⾏波，经分光器分为两路，⼀为基准光路，另⼀为测量光路。

外界参数（温度、压⼒、振动等）引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从⽽产⽣不同数量的⼲涉条纹，对它的模向移动进⾏计数，就可测量温度或压⼒等。

(2) 结构型光纤传感器原理
结构型光纤传感器是由光检测元件（敏感元件）与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。

其中光纤仅作为光的传播媒质，所以⼜称为传光型或⾮功能型光纤传感器。

图2 结构型光纤传感器⼯作原理⽰意图
(3) 拾光型光纤传感器原理
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。

图3 拾光型光纤传感器⼯作原理⽰意图
②光纤传感器的优点
与传统的各类传感器相⽐，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，具有光纤及光学测量的特点，有⼀系列独特的优点。

(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。

(6) 耐腐蚀，防爆。

(7) 光路有可挠曲性，便于与计算机联接。

(8) 结构简单，体积⼩，重量轻，耗电少等。

光纤传感器在军事、航空、医学、环境监测、⼟⽊⼯程、电⼦系统等很多领域都有⼴泛的应⽤，尤其适⽤于以下特殊环境：
(1) 在⾼压、电磁感应噪⾳条件下的测试；
(2) 在危险和环境恶劣条件下的测试；
(3) 在机器设备内部的狭⼩间隙中的测试；
(4) 在远距离的传输中的测试。

③光纤传感器的分类和可测量的物理量
按所利⽤的不同的光学现象，光纤传感器可分为⼲涉型和⾮⼲涉型，可通过相位，频率，强度和偏振调制等⽅式实现对不同物理量的测量，具体内容如表1所⽰。

表1 光纤传感器的分类和测量的物理量
注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、⾮功能型、拾光型
④各种光纤传感器的应⽤领域及优缺点
表2给出了各种光纤传感器的作⽤机理，应⽤领域以及优缺点。

表2 光纤传感器的作⽤机理和应⽤领域
⑤应⽤注意事项
5.1 光纤
常见的光纤有阶跃型和梯度型多模光纤及单模光纤，选⽤光纤必须考虑以下因素：(1) 光纤的数值孔径NA
从提⾼光源与光纤之间耦合效率的⾓度来看，要求⽤⼤的NA，但是NA越⼤，光纤的模⾊散越严重，传输信息的容量就越⼩。

但是⼤多数光纤传感器来讲，不存在信息容量的问题，光纤以最⼤孔径为宜，⼀般要求是：0.2≤NA<0.4。

(2) 光纤传输损耗
传输损耗是光纤的最重要的光学特性，很⼤程度上决定了远距离光纤通信中继站的跨越，但是光纤传感器系统中，⼤部分距离都⽐较短，长者不⾜4M，短的只有⼏毫⽶。

特别是作为敏感元件的特殊光纤，可放宽传输损耗的要求，⼀般损耗<10dB/km的光纤均可采⽤。

(3) ⾊散
⾊散是影响光纤信息容量的重要参量，如前所讲，可放宽这⽅⾯的要求。

(4) 光纤的强度
对传感器⽽⾔，都毫⽆例外的都要求较强的强度。

5.2 光源
(1) ⽩炽光源
⽩炽光源的辐射近似为⿊体辐射。

其优点是：价格低廉，容易获得，使⽤⽅便，但在传感器中使⽤，由于辐射密度⽐较⼩，故只能与光纤束和粗芯阶跃光纤配合使⽤。

缺点是稳定性⽐较差，寿命短。

(2) ⽓体激光器
⾼相⼲性光源，容易实现单模⼯作，线性⾮常窄；辐射密度⽐较⾼，与单模光纤耦合效率⾼；噪声⽐较⼩。

(3) 固体激光器
现在主要⽤固态铷离⼦激光器等，优点是体积⼩，坚固耐⽤、⾼效率、⾼辐射密度。

光谱均匀⽽且⽐较窄，缺点是相⼲性和频率稳定性不如⽓体激光器。

(4) 半导体激光器
是光纤传感器的重要光源，主要LED，优点是体积⼩巧、坚固耐⽤、寿命长、可靠性⾼、辐射密度适中、电源简单。

光源很多，对光源的基本要求是⼀致的，必须使具有适当特性的、功率⾜够⼤的光达到检测器，以确保检测系统有⾜够⼤的信噪⽐，遵循原则为：选择辐射⾜够强的光源，要求在敏感元件的⼯作波长上有最⼤的辐射功率；光源必须与光纤匹配，以获得最好的耦合率；光源的稳定性要好，能在长期的室温下⼯作。

5.3 光电探测器
光电探测器是光电检测中不可缺少的器件，把光信号转变为电信号。

选择准则：在⼯作波段内灵敏度要⾼；有检测器引⼊的噪声⼀定要⼩，因此要选⽤暗电流、漏电流和并联电导尽可能⼩的器件；可靠性⾼、稳定性好；尺⼨⼩、便于组装、容易与光纤耦合；偏压或偏流不宜过⾼；价格低廉。

⑥产品图⽚
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