光纤传感器论文精修订

光纤传感器论文标准化管理部编码-[99968T-6889628-J68568-1689N]光纤传感器毛琪 132640（仪器科学与工程学院，东南大学，南京 210096）摘要：光纤传感器是现在被广泛应用的一类新型传感器，具有抗电磁干扰、灵敏度高、重量轻、成本低等优良的特点。

本文详细介绍了光纤传感器原理、结构和特性等方面的内容。

同时举例说明了光纤传感器在实际工程应用中的广泛应用。

关键词：光纤传感器；原理；工程应用Fiber optic sensorMao Qi 132640(School of Instrument Science and Engineering, Southeast University,Nanjing 210096)Abstract：Fiber optic sensor is a new type of sensor with excellent features of anti-electromagnetic interference, high sensitivity, light weight andlow-cost ,which is now widely used. The paper detailedly introduces the principles, structures and characteristics of fiber optic sensors. At the same time, some examples are provided to illustrate that fiber optic sensors are extensive used in practical engineering applications.Keywords: fiber optic sensor(FOS); principle; engineering application1.引言传感器技术、通信技术、计算机技术是现代信息技术的三大支柱，传感器作为探测与获取外界信息的重要环节之一而被应用于工业、农业及军事等各个领域。

近20多年来，光纤传感器的发展则大有取代传统传感器的趋势。

光纤传感器是光通信和集成光学技术发展的结晶，与传统的传感器不同，它将被测信号的状态以光信号的形式取出。

光信号不仅能被人所直接感知，并能通过利用半导体二极管等小型简单元件进行光电转换，极易与一些电子装备相匹配。

此外，光纤不仅是一种敏感元件，还是一种优良的低损耗传输线。

因此，光纤传感器还可以用于传统的传感器所不适用的远距离测量。

自从20世纪70年代末光纤传感器诞生以来，便由于其具有的防火、防爆、精度高、损耗低、体积小、重量轻、寿命长、性价比高、复用性好、响应速度快、抗电磁干扰、频带范围宽、动态范围大、易与光纤传输系统组成遥测网络等优点而被广泛地应用于各行各业。

随着对其研究的不断深入，光纤传感器势必会对科学研究、国民生产、日常生活等诸多领域产生深远影响。

2.光纤传感器原理光纤传感器主要组成部分是光导纤维，简称光纤。

光纤是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有1~100微米左右。

它是由内芯和外套两层组成，内芯的折射率大于外套的折射率，光由一端射入，在内芯和外套的界面上进过多次全反射，从另一端射出。

光纤不仅可以作为光波的传播介质，而且光波在光纤中传播时表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压力、磁场、电场、位移、转动等）的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感器元件来探测各种物理量。

这就是光纤传感器的基本原理，如图1所示。

图1 光纤传感器原理示意图3.光纤传感器的特点与传统的传感器相比，光纤传感器的主要特点如下：(1)抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。

这使它在各个大型机电、石油、化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感。

(1)灵敏度高利用长光纤和光波干涉技术使不少光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。

其中有的已由理论证明，有的已经实验验证，如测量转动、水声、加速度、位移、温度、磁场等物理量的光纤传感器。

(2)重量轻，体积小，外形可变光纤除具有重量轻、体积小的特点外，还有可绕的优点，因此利用光纤可制成外形各异、尺寸不同的各种光纤传感器。

这有利于航空、航天以及狭窄空间的应用。

(3)测量对象广泛目前已有性能不同的测量温度、压力、位移、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、电场、磁场、电压、杂质含量、液体浓度、核辐射等各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。

(4)对被测介质影响小这对于一些特殊的领域的应用极为有利，如生物医疗领域。

(5)便于复用，便于成网有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感器网络。

(6)成本低4.几类典型的光纤传感器光纤传感器可分为传感型与传光型两大类。

利用外界因素改变光纤中光的强度（振幅）、相位、偏振态或波长（频率），从而对外界因素进行计量和数据传输的，称为传感型（或功能型）光纤传感器。

传光型光纤传感器是指利用其他敏感元件测得的物理量，由光纤经行数据传输。

它的特点是充分利用现有的传感器，便于推广应用。

这两类光纤传感器都可再分为光强调制、相位调制、偏振态调制、以及波长调制等几种形式。

以下将分别介绍这四种类型的光纤传感器。

(1)振幅调制传感型光纤传感器利用外界因素引起的光纤中光强的变化来探测物理量等各种参量的传感器称为振幅调制传感型光纤传感器。

改变光纤中光强的方法有多种，而改变光纤的微弯状态就是其中一种。

光纤微弯传感器就是利用光纤中的微弯损耗来探测外界物理量的变化。

它是利用多模光纤在受到微弯时，一部分芯模能量会转化为包层模能量这一原理，通过测量包层模能量或芯模能量的变化来测量位移或振动等。

其原理图如图2所示。

激光器光探测器信号处理滤模器光纤变形器图2光纤微弯传感器原理图激光束经扩束、聚焦输入多模光纤。

其中的非导引模由杂模滤除器去掉，然后在变形器作用下产生位移，光纤发生微弯的程度不同时，转化为包层模式的能量也随之改变。

变形器由测微头调整至某一恒定变形量；待测的交变位移由压电陶瓷给出。

实验表明，该装置灵敏度达μV/A（它强烈依赖于多模光纤中的导引模式分布，高阶模越多，越易转化为包层模，灵敏度也就愈高），相当于最小可测试位移为，动态范围可望超过100dB。

(2)相位调制传感型光纤传感器利用外界因素引起的光纤中光波相位的变化来探测物理量等各种参量的传感器称为相位调制传感型光纤传感器。

该类传感器主要应用于制成干涉仪，而光纤Sagnac干涉仪就是其中典型的一种。

光纤Sagnac干涉仪的基本原理是在由同一光纤绕成的光纤圈中沿反方向前进的两光波，在外界因素作用下产生不同的相移。

然后，通过干涉效应进行检测。

其最典型的应用就是转动传感，及光纤陀螺。

由于它没有活动部件，没有非线性效应和低转速时激光陀螺的闭锁区，因而非常有希望制成高性能低成本的器件。

图3是光纤Sagnac干涉仪的原理图。

用一长为L的光纤，绕成半径为R的光纤圈。

一激光束由分束镜分成两束，分别从光纤两个端面输入，再从另一端面输出。

两输出光叠加后将产生干涉效应，此干涉光强由光电接收器检测。

图3 光纤Sagnac干涉仪原理图1为激光器；2为光探测器；3为光纤圈当环形光路相对惯性空间有一转动Ω时（设Ω垂直于环路平面），则对于顺、逆时针传播的光，将产生一非互易的光程差L=4AcΩ式中，A是环形光路的面积；c为真空中的光速。

当环形光路是由N圈单模光纤组成时，对应顺、逆时针光路之间的相位差为Δφ=8πNAλcΩ式中λ是真空中的波长。

(3)偏振态调制型光纤传感器外界因素使光纤中光波模式的偏振态发生变化，对其进行检测的光纤传感器属于偏振态调制型。

最典型的例子就是高电压传输线上用的光纤电流传感器。

光纤测电流的基本原理是利用光纤材料的Faraday效应（熔石英的磁光效应），即处于磁场中的光纤会使在光纤传播的偏振光发生偏振面的旋转，其旋转角度Ω与磁场强度H、磁场中光纤的长度L成正比：Ω=VHL式中V是菲尔德（Verket）常数，是光纤的材料系数。

由于载流导线在周围空间产生的磁场满足安培环路定律，对于长直导线有H=I(2πR)⁄，因此只要测量Ω，L，R的值，就可由Ω=VLI2πR=VNI求出长直导线中的电流I。

式中N是绕在导线上的光纤的总圈数。

原理图如图4所示。

1234457869图4 光纤电流传感器原理图1为激光器；2为起偏器；3为物镜；4为传输光纤；5为传感光纤；6为电流导线；7为光探测器；8为偏振棱镜；9为信号处理单元从激光器1发出的激光束经过起偏器2、物镜3耦合进入单模光纤4。

6是高压载流导线，通过其中的电流为I。

5是绕在导线上的光纤，在这一段光纤上产生磁光效应，使通过光纤的偏振光产生一个角度为Ω的偏振面的旋转。

岀射光经偏振棱镜8把光束分成振动方向相互垂直的两束偏振光。

再通过光探测器7变成电信号，分别送进信号处理单元9经行运算。

最后由计算器输出的将是函数P=J1−J2 J12式中J1，J2分别为两偏振光的强度。

再通过一定的计算即可得到被测电流I的值。

(4)波长调制型光纤传感器利用外界因素引起的光纤中光波波长的变化来探测物理量等各种参量的传感器称为波长调制传感型光纤传感器。

光纤光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器。

以光纤布拉格光栅传感器为例，又光纤光栅的布拉格方程可知，光纤光栅的布拉格波长取决于光栅周期Λ和反向耦合模的有效折射率n eff，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅布拉格波长的漂移。

因为无论是对光栅进行拉伸还是挤压，都势必导致光栅周期Λ的变化，并且光纤本身所具有的弹光效应使得有效折射率n eff 也外界应力状态的变化而改变。

同理，环境温度的变化也会引起光纤类似的变化。

因此采用光纤布拉格光栅制成光纤应力应变传感器以及光纤温度传感器，就成了光纤光栅在光纤传感领域中最直接的应用。

应力引起光栅布拉格波长漂移可以由下式给予描述：ΔλB=2n effΛ+2Δn effΛ式中Λ表示光纤本身在应力作用下的弹性形变；Δn eff表示光纤的弹光效应。

外界不同的应力状态将导致Λ和Δn eff的不同变化。

一般情况下，由于光纤光栅属于各向同性柱体结构，所以施加于其上的应力可在柱坐标系下分解为σr，σθ和σz三个方向。

只有σz作用的情况称为轴向应力作用，σr和σθ称为横向应力作用，三者同时存在为体应力作用。

于此类似，环境温度的变化会引起光栅布拉格波长漂移，由此可测量环境温度的变化。

5.光纤传感器的应用光纤传感器的应用非常广泛，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，加快了经济社会的建设与发展。