光纤传感器结构 光纤传感器结构原理及分类

光纤传感器结构原理及分类

2011-12-14 10:08:50 来源:互联网

关键字：光纤传感器

1、光纤传感器结构原理 以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图(b)。

由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。

可见, 光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。 光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即

A——电场E的振幅矢量；ω——光波的振动频率；φ——光相位；t——光的传播时间。可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。

2、光纤传感器的分类

注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型

[next] （1）根据光纤在传感器中的作用

光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类。

1）功能型（全光纤型）光纤传感器

利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将"传"和"感"合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现"传"和"感"的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。

2）非功能型（或称传光型）光纤传感器

光纤仅起导光作用，只"传"不"感"，对外界信息的"感觉"功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。

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。

（2）根据光受被测对象的调制形式

形式：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。

1）强度调制型光纤传感器

是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。

优点：结构简单、容易实现，成本低。

缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。

2）偏振调制光纤传感器

是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。

3）频率调制光纤传感器

是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。

4）相位调制传感器

其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。

光纤传感器的原理及特点

光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。基本原理是将光源的光经入射光纤送人调制区,光在调制区内与外界被测参数相互作用,使的光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态等发生变化而成为被调制的信号光,再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。

光纤传感器按传感原理可分为两类:一类是传光型(非功能型)传感器,另一类是传感型(功能型)传感器。在传光型光纤传感器中,光纤仅作为光的传输媒质,对被测信号的感觉是靠其它敏感元件来完成的，这种传感器中出射光纤和入射光纤是不连续的,两者之间的调制器是光谱变化的敏感元件或其它性质的敏感元件。

在传感型光纤传感器中光纤兼有对被测信号的敏感及光信号的传输作用,将信号的“感”和“传”合而为一,因此这类传感器中光纤是连续的。由于这两种传感器中光纤所起的作用不同,对光纤的要求也不同。

在传光型传感器中光纤只起传光作用，采用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求，而敏感元件可以很灵活地选用优质的材料来实现，因此这类传感器的灵敏度可以做得很高,但需要较多的光耦合器件,结构较复杂。

传感型光纤传感器的结构相对来说比较简单,可少用一些耦合器件,但对光纤的要求较高,往往需采用对被测信号敏感、传输特性又好的特殊光纤。目前为止,实际中大多数采用前者,但随着光纤制造工艺的改进,传感型光纤传感器也必将得到广泛的应用。

按光在光纤中被调制的原理不同,光纤传感器可分为:强度调制型、相位调制型、偏振态调制型、频率调制型、波长调制型等。迄令为止,光纤传感器能够测定的物理量已达七十多种。

与传统的传感器相比,光纤传感器具有独特的优点：

（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

假设用10米的光纤,1℃的变化引起1000ard的相位变化,若能够检测出的最小相位变化为0.01ard,那么所能测出的最小温度变化为l0℃,可见其灵敏度之高.

(2)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、耐腐蚀的传输媒质,并且安全可靠,这使它可以方便有效地用于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中。

（3）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。

（4）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,同一根光纤可以传翰多路信号。

（5）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。此外,光纤传感嚣还具有质量轻、体积小、可绕曲、测量对象广泛、复用性好、成本低等特点。

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