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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