光纤传感器

传感器的工作原理及应用

————光纤传感器

光纤传感器具有灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、光路可弯曲、便于使用线遥测、耐腐蚀、耐高温、体积小、质量轻等优点，可广泛用于位移、速度、加速度、压力、漏寓、液位、流量、水声、电流、磁场、放射性射线等物理量的测量，在制造业、军事、航天、航空、航海和其他科学研究中有着广泛的应用。

一、光纤传感器的基本工作原理

光纤传感器是一种将被测对象那个的状态转变为可测的光信号的传感器。其工作原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制器，在调制器内与外界参数的相互作用，使光的光学性质，如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光器件、经解调器后获得被测参数。在整个过程中光束经由光纤导入，经过调制器后再射出。其中光纤的作用首先是传输光束，其次是起到光调制器的作用。

二、光纤传感器的应用

激光多普勒光纤流速测量系统

设激光光源频率为0f 经分束器分成两束光，其中被声光调制器调制成频率为01f f -的一束光射入探测器中，另一束频率为0f 的光经

光纤射到被测物体流中。例如当血液里的红血球以速度v 运动时，根据多普勒效应，其反射光的光谱产生频率为0f f ±∆的光，他与01f f -的光在光电探测器中混频后，形成1f f ±∆的振荡信号，通过测量f ∆便可

以换算出血流速度v 。声光调制频率一般取40z MH 。在频率分析仪上

除有40z MH 的调整频率的一个峰外还有移动的f ∆次峰，根据次峰可以确定血流等流体的速度。

光纤传感器涡轮流量计

涡轮流量计通过内磁式传感器检测涡轮的转速而实现流量测量，是一种广泛的流量测量仪表。随着光纤传感器技术的发展可以将反射型光纤传感器与传统的涡轮流量测量原理相结合，制造出具有双光纤传感器的涡轮流量计。与传统的内磁式涡轮流量计相比，光纤传感器涡轮流量计具备正反流量测量的性能。在检测原理上，光纤传感器克服了由内磁式传感器的磁性引力带来的影响，有效地扩大了涡轮流量计的量程比。光纤传感器涡轮流量计就是对涡轮流量进行改进，使其叶片端面适宜反射光线，利用反射型光纤传感器及光电转换电路检测涡轮叶片的旋转，从而测量出流量的。反射型光纤传感器一般采用多模玻璃光纤，单根芯纤的直径为200m μ，孔径为0.3m 。反射型光纤传感

器由两根光纤组成，包括光纤发射和光纤接收，检测端固化在一铝合金护套内，可替代内磁式传感器安装在涡轮流量计上。为了提高反射型光纤传感器的信噪比，保证接收反射信号的分辨率，光电转换器中的光源发射电路设计为10~12

z

kH的调制光输出，通过发射纤经涡轮叶片反射从接收纤接收调制光的反射信号，经滤波后转换为流量脉冲信

号，信号的响应时间小于0.2

ms ，检测范围为1

mm

。

传统的内磁式传感器受其结构限制只能检测叶片的转速。反射型光纤传感器的体积较小，若将两个反射型光纤传感器并列装配在涡轮流量计上，这样两个传感器可检测同一涡轮叶片不同位置的反射信号，而两个传感器信号互不干扰。若传感器输出

01

f信号和02f信号经相位鉴别电路后可输出流量计的正向流动计量信号和反向流动计量信号。由于光纤传感器不存在内磁式传感器在低流速时与涡轮叶片产生磁阻而引起的误差，也克服了内磁式传感器在高流量区信号产生饱和的问题，其调制光参数还可以随总体设计的要求而变化，从而为涡

轮的设计创造了方便条件。另外，光纤传感器具有防爆、无电气信号直接与流量计接触的特点，因而事宜煤气、轻质油料等透明介质的流量测量。

光纤用在温度测量中，根据其调制原理分为相干型和非相干型。在相干型中，有偏振干涉、分布式温度传感器等；在非相干型中，有辐射式温度计、半导体吸收式温度计和荧光温度计等。光辐射温度传感器属于被动式温度测量，即无需光源，其测量原理是黑体辐射定律。单波长测温是被测辐射热能由探头中的物镜会聚，经滤色镜限制工作光谱范围后，将光经光纤送到探测器，由探测器吧光强信号变成电信号，再经线性化、U/I转换、A/D转换，就可由数字仪器读出温度。光纤辐射温度传感器为非接触测量，可用于瞬时高温测量，且响应快，在冶炼、窖炉、高频淬火、涡轮发电机、电站、油库等方面得到广泛应用。

光纤位移或压力传感器，它主要由两块波形板、一根多模光纤组成。其中一块波形板是活动板，另一块是固定板。波形板一般采用尼龙、有机玻璃等非金属材料制成。一根多模光纤从一对波形板之间通过，当活动板受到位移或压力作用时，多模光纤就会发生微弯曲，引起的传播光的光能散射损耗。当活动板受到位移或压力增大时，引起

的传播光的散射损耗就小，光纤芯模的输出光强度就大；反之光纤芯模的输出光强度就小。光纤位移或压力传感器表明了光纤弯曲对传播光的影响。通过检测光纤芯模的透射光强，可以测量位移或压力的大小。

Y 型光纤微位移传感器，它是由Y 型光纤微位移传感器、光电二极管、放大器、比较器、A/D 转换器等组成。其中，Y 型光纤微位移传感器由光源入射光纤、接收光纤、包层组成。一根光纤表示入射光线，另一根表示反射光线。测量时光纤的轴线与被测面保持垂直状态，控制与被测面的反射面的位移在4mm 之间。光电二极管将接收光

纤的光强信号转化成电流信号，通过1IC 运放实现I/U 变换，使反射

光转换成电压输出，然后经2IC 运放进行电压放大，经R/C 进行无源

滤波，一路送入MC1433A/D 转换器，测量显示输出；另一路经3IC 缓冲后经VD 、CM 、4IC 组成的峰值保持器后，送入5IC 电压比较器中，当2IC 达到最大输出电压时，电容CM 被充电，经5IC 比较器输出后，发光二极管LED 点亮，表示报警信号。发光二极管的亮与灭表示测量的微位移的远近。

采用光纤可构成光纤式光电开关，包括遮断型、反射型、反射镜反射型三种。光纤式光电开关可用于电路板标志的检测，当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置位置正确。遮断

式光纤式光电开关可用来测量集成IC引脚的好坏。