光纤传感器论文

光纤传感器的原理、应用及发展前景

摘要这个学期选修了《传感器与检测技术》这门课，我对里面讲述到达光纤传感器较为感兴趣，所以就以光纤传感器做我论文的主题。通过介绍光纤传感器的构造及工作原理，光纤传感器的许多优越的特点，灵敏度高、可以任意改变形状、可用于恶劣的环境中等等。来说明光纤传感器是使用是非常广泛的，其应用领域是在我们的周围环境中，其重要性日益增强。

最后，光纤技术会越来越得到应用，它会给我们人类带来极大的方便与利益。

关键词光纤传感器、灵敏度、改变形状、可用于恶劣环境

引言——光纤传感器可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。它与我们息息相关，我们需要它，它需要我们来对它进行改造，创新。

一、光导纤维的原理

光纤传感器就是利用光导纤维的传光特性，把被测量转换为光特性(强度、相位、偏振态、频率、波长)改变的传感器。它的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。随着现代科学技术的发展, 信息的获得显得越来越重要。

光纤传感器具有许多优点：灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的的光纤传感器；可以制作传感各种不同的物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；光纤传感器可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀和其他的恶劣环境；具有与光纤遥测技术的内在相容性。

1、灵敏度高由于光是一种波长极短的电磁波, 通过光的相位便得到其光学长度。以光纤干涉仪为例, 由于所使用的光纤直径很小, 受到微小的机械外力的作用或温度变化时其光学长度要发生变化, 从而引起较大的相位变化。

图（1）光纤的结构

2、测量速度快光的传播速度最快且能传送二维信息, 因此可用于高速测量。对雷达等信号的分析要求具有极高的检测速率, 应用电子学的方法难以实现, 利用光的衍射现象的高速频谱分析便可解决。信息容量大被测信号以光波为载体, 而光的频率极高, 所容纳的频带很宽, 同一根光纤可以传输多路信号。

3、适用于恶劣环境光纤是一种电介质, 耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰, 可用于其它传感器所不适应的恶劣环境中。另外, 利用光纤的柔韧性可将光纤传感器做成各种形状的传感器及传感器阵列, 用于多参数测量。

二、光导纤维的主要参数

1、数值孔径（NA）

如上图所示，将θ

i

的正弦函数定义为光导纤维的数值孔径（NA），即

NA = sinθ

i =）（2

2

2

1

n

n-

数值孔径反映纤芯接受光量的多少，是标志光导纤维的接受性能的一个重要参数。其意义是无论光源发射率有多大，只有2θ

i

张角之内的光功率能被光纤接收传播。

2、 光纤模式

光纤模式简单地说，就是光波沿光导纤维传播的途径和方式。在给定的光导纤维中，光线只是以某些角度入射时，所传播的光会以不同的角度入射的光线，在界面上反射的次数是不同的，传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布叫模式。

阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量可以简单表示为

V=0222

1n n d λπ）（-21

式中：d 为光纤芯直径；0λ为光波波长

3、传播损耗

由于光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响，光信号在光纤中的传播不可避免的要有损耗。以A 来表示传播损耗（单位dB ），则：

A = a I = 20lg I

I 0 式中：I 为光纤长度；a 为单位长度的衰减；0I 为光导纤维输入端

光强；I 为光导纤维输出端光强。

三、根据光纤在传感器中的作用，光纤传感

器可以分为三大类

一类是功能型传感器; 二类是非功能型传感器；还有最后一类是拾光型光纤传感器。

1、功能型传感器

功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件, 被测量对光纤内传输的光进行调制, 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化, 再通过对被调制过的信号进行解调, 从而得出被测信号。光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。

优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等

图（2）功能型传感器的工作方式

2、非功能型传感器

非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化, 光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。

优点：无需特殊光纤及其他特殊技术；比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。

实用化的大都是非功能型的光纤传感器。光纤传感器是最近几年

出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。三、拾光型光纤传感器。用光纤作为探头，接受由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。典型的例子：光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。

3、拾光型光纤传感器

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。

四、光纤传感器应用的领域

温度的检测，压力的检测，液位、流量、流速的检测。

1、光纤高温测量系统

图（3）光纤高温测量系统