光纤传感器论文精修订

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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 sensor

Mao 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 and

low-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 application

1.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，