光纤传感器介绍重点

光纤传感器介绍

摘要本文介绍了几类常用光纤传感器，具体分析了波长调制型光纤传感器的原理、结构和应用，结合实验对光纤传感器位移实验作了分析。

关键词光纤传感器功能型非功能型波长振幅相位

0引言

光纤传感器，英文名称：optical fiber transducer 。航空科技领域定义其为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；机械工程定义其为利用光纤技术和光学原理，将感受的被测量转换成可用输出信号的传感器。

近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

1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。这使它在各种大型机电、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。

（2）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。

（3）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，还有可挠的优点，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。

（4）测量对象广泛。

目前已有性能不同的测量温度、压力、位移、速度、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。

（5）对被测介质影响小。

这对于医药生物领域的应用极为有利。

（6）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网络。

（7）成本低。

有些种类的光线传感器的成本将大大地预计现有同类型传感器。

2各种光纤传感器的简单介绍

光纤传感器一般分为振幅调制传感型光纤传感器、相位调制传感型光纤传感器、偏振态调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器、光纤荧光温度传感器、分布式光纤传感器、聚合物光纤传感器、光子晶体光纤传感器、传光型光纤传感器等。下文针对本类常用的传感器的种类、特点及应用范围做了简单介绍。

2.1振幅调制传感型光纤传感器

振幅调制传感型光纤传感器是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光纤传感器。改变光纤中光强的办法目前有以下几种：改变光纤的微弯状态、改变光纤的耦合条件、改变光纤对光波的吸收特件、改变光纤中的折射率分布等。本类传感器包括以下几种类型：

2.1.1光纤微弯传感器

特点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。图2.1是其原理图，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变换给出。

图2.1光纤微弯传感器原理图

应用：由于光纤微弯传感器技术上比较简单，光纤和元器件易于获得，我国已经研制成基于这种原理的光纤报警器。其基本结构是光纤呈弯曲状，织于地毯中，当人站立在地毯上时，光纤弯曲状态加剧，这是通过光纤的光强随之变化，因而产生报警信号。

2.1.2光纤受抑内反射传感器

特点：利用光波在高折射率介质内的受抑全反射现象也可构成光纤传感器。因为当两光纤端面十分靠近时，大部分光能可从一根光纤耦合进另一根光纤，当一根光纤保持固定，另一光纤随外界因素而移动，由于两光纤端面之间间距的改变，其耦合效率会随之变化。测出光强的这一变化就可求出光纤端面位移量的大小。这类传感器的最大缺点是需要精密机械调整和固定装置，对现场使用不利。

应用：这种结构的光纤传感器的优点是不需要任何机械调整装置，因而增加了传感头的稳定性。利用与此类似的结构，现已研制成光纤浓度传感器、光纤气／液二相流传感器、光纤温度传感器等多种用途的光纤传感器。

2.1.3光纤辐射传感器

特点：x射线、 射线等的辐射会使光纤材料的吸收损耗增加，从而使光纤的输出功率下降。利用这一特性可以光纤辐射传感器，它具有灵明度高，线性范围大，结构灵活，牢固可靠，有“记忆”特性。不同的光纤成分对不同的辐射敏感。

应用：既可以做成小巧仪器，也可用于核电站、放射性物质堆放处等大范围的监测。2.2相位调制传感型光纤传感器

相位调制传感型光纤传感器是利用外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测各种物理量的传感器。这类光纤传感器的主要特点如下：

（1）灵敏度高。

（2）灵活多样。

（3）对象广泛。不论何种物理量，只要对干涉仪中的光程产生影响，就可用于传感。目前利用各种类型的光纤干涉仪已研究成测量压力(包括水声)、转动，温度、加速度、电流、磁场、液体成分等多种物理量的光纤传感器。而且，同一种干涉仪，常常可以对多种物理量进行传感。

（4）对光纤有特殊需要。在光纤干涉仪中，为获得干涉效应，应使同一模式的光叠加，为此要用单模光纤。

根据传统的光学干涉仪的原理，目前已研制成光纤Mach—Zehnder干涉仪、光纤Sagnae 干涉仪、光纤Fabry—Perot干涉仪以及光纤环形腔干涉仪等，并且都已用于光纤传感。典型的相位调制传感型光纤传感器有光纤法-珀传感器和白光干涉型光纤传感器。

2.2.1光纤法-珀传感器

根据光纤法-珀传感器的结构形式，光纤法-珀传感器主要分为本征型、非本征型光纤法-珀传感器和线型复合腔光纤法-珀传感器三种。

1）本征型光纤法-珀传感器

本征型光纤法-珀传感器是研究最早的一种光纤法一珀传感器。它是将光纤截为三段，并在两端端面镀上高反射膜，再中间段光纤焊接，此时中间段的长度L就是法-珀腔的腔长L，显然这是本征型光纤法-珀传感器。由于光纤法-珀传感器的腔长L一般为数十微米量级，因此中间段的加工难度很大。