光纖傳感器

概述

近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能；絕緣、無感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)），或者對人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還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。

光纖傳感器工作原理

光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。

優(yōu)點(diǎn)

一、靈敏度較高；

二、幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；
 

三、可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件；
 

四、可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境；
 

五、而且具有與光纖遙測技術(shù)的內(nèi)在相容性。

應(yīng)用

光纖傳感器應(yīng)用：磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測量。

分類

① 傳光型光纖傳感器 以多模光導(dǎo)纖維來傳輸光信號，根據(jù)光接受強(qiáng)度不同進(jìn)行測量，而對被測參數(shù)起檢測作用的是其他敏感元件。這種傳感器多用于工業(yè)檢測液位、壓力、形變、溫度、流速、電流、磁場等。它的優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，缺點(diǎn)是靈敏度低。圖1[ 光纖液位傳感器]為光纖液位傳感器的原理示意圖。

② 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器 在壓力作用下光纖產(chǎn)生微彎變形導(dǎo)致光強(qiáng)度變化，從而引起光纖傳輸損耗的改變，并由吸收、發(fā)射或折射率變化來調(diào)制發(fā)射光，可制成微彎效應(yīng)的光纖壓力傳感器（圖2[ 微彎效應(yīng)光纖壓力傳感器]）。由于齒板的作用，在沿光纖光軸的垂直方向上加有壓力時，光纖產(chǎn)生微彎變形，光波導(dǎo)方式改變，傳輸損耗增加。這種傳感器具有較高的靈敏度。此外，利用光學(xué)編碼盤配合光纖可制成數(shù)字式光纖壓力傳感器。
 

③ 偏振調(diào)制型光纖傳感器 單模光導(dǎo)纖維的偏振特性極易受到外界各種物理量的影響，如在高電場下的克爾效應(yīng)和在強(qiáng)磁場下的法拉第效應(yīng)，利用這一原理可制成大電流、高電壓測試傳感器（圖3[ 偏振光面變化檢測原理圖]）

④ 相位調(diào)制型光纖傳感器 用單模光導(dǎo)纖維構(gòu)成干涉儀，外界各種物理量的影響因素能導(dǎo)致光導(dǎo)纖維中光程的變化，從而引起干涉條紋的變動。圖4[ 干涉儀式光纖溫度傳感器]

光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測量技術(shù)難以完成的測量任務(wù)。在狹小的空間里，在強(qiáng)電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨(dú)特的能力。目前光纖傳感器已經(jīng)有70多種，大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。

所謂光纖自身的傳感器，就是光纖自身直接接收外界的被測量。外接的被測量物理量能夠引起測量臂的長度、折射率、直徑的變化，從而使得光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庠谡穹?、相位、頻率、偏振等方面發(fā)生變化。測量臂傳輸?shù)墓馀c參考臂的參考光互相干涉（比較），使輸出的光的相位(或振幅)發(fā)生變化，根據(jù)這個變化就可檢測出被測量的變化。光纖中傳輸?shù)南辔皇芡饨缬绊懙撵`敏度很高，利用干涉技術(shù)能夠檢測出10的負(fù)4次方弧度的微小相位變化所對應(yīng)的物理量。利用光纖的繞性和低損耗，能夠?qū)⒑荛L的光纖盤成直徑很小的光纖圈，以增加利用長度，獲得更高的靈敏度。

光纖聲傳感器就是一種利用光纖自身的傳感器。當(dāng)光纖受到一點(diǎn)很微小的外力作用時，就會產(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力發(fā)生很大的變化。聲音是一種機(jī)械波，它對光纖的作用就是使光纖受力并產(chǎn)生彎曲，通過彎曲就能夠得到聲音的強(qiáng)弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種，與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本低，可以用于飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈等的高性能慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。如圖就是光纖傳感器渦輪流量計的原理。

光纖傳感器流量計原理如下：

另外一個大類的光纖傳感器是利用光纖的傳感器。其結(jié)構(gòu)大致如下：傳感器位于光纖端部，光纖只是光的傳輸線，將被測量的物理量變換成為光的振幅，相位或者振幅的變化。在這種傳感器系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的傳感器和光纖相結(jié)合。光纖的導(dǎo)入使得實(shí)現(xiàn)探針化的遙測提供了可能性。這種光纖傳輸?shù)膫鞲衅鬟m用范圍廣，使用簡便，但是精度比第一類傳感器稍低。

光纖在傳感器家族中是后起之秀，它憑借著光纖的優(yōu)異性能而得到廣泛的應(yīng)用，是在生產(chǎn)實(shí)踐中值得注意的一種傳感器。

光纖傳感器憑借著其大量的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為傳感器家族的后起之秀，并且在各種不同的測量中發(fā)揮著自己獨(dú)到的作用，成為傳感器家族中不可缺少的一員。