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上图是光纤传感器的原理结构图。光纤传感器通常由光源、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成。光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等参量在光纤传输中都可能会受外界影响而发生改变,特别如温度、压力、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、弯曲、应变以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时,都会使这些参量发生相应变化。光纤传感器就是根据这些参量随外界因素的变化关系来检测各相应物理量的大小。与传统的传感器不同,光纤优良的物理、化学、机械以及传输性能,使光纤传感器具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度很高、测量带宽很宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点,并可以构成传感网络。*的光纤传感器的灵敏度比传统的传感器高几个数量级。
可以测量的物理量已达70多种。精度高,响应速度快,线性特征范围宽,使用的重复性好,检测信号的信噪比高,由于现在光纤的量产化,价格低廉,可以广泛使用。光纤是由电介质材料石英制成,传输的是光信号,因此安全性、可靠性好,抗电磁干扰能力强,能适应在电力、石油、化工、冶金等易燃易爆或有毒的环境条件下工作。抗腐蚀,抗污染能力强,可用于温差较大的地方,时间时间老化特性优良,工作寿命长。体积小,重量轻,容易安装,对被测对象环境适应能力强。光纤是无源器件,自身独立性好,不会破坏被测量的状态。测量对象广泛。目前已有性能不同的多种测量温度、压力、位移、速度、液面、核辐射等各种物理量、化学量、生物量等的光纤传感器。
便于多点复用、传输损耗小,适合于组成测量网络,实现多点实时智能化的遥测。根据调制区与光纤的关系,传光型光纤传感器也称非功能型光纤传感器或强度调制型光纤传感器,光纤主要起传输光波的作用,传光型光纤传感器主要由光源、光纤、光调制器、敏感元件、光电探测器、检测电路等组成。传光型光纤传感器的基本原理是待测物理量引起光纤中的传输光光强I变化,通过光强I的检测实现对待测物理量的测量。强度调制的特点是简单、可靠、经济。强度调制的方式很多,传感型光纤传感器也称功能型光纤传感器,光纤既传光又传感,即还充当敏感元件。对于传感型光纤传感器而言,当光在光纤中传播时,被测物理量或外界因素作用在光纤上,使得光纤中传输光的振幅、相位、波长、偏振态等发生改变。
此过程为光调制,调制后的光经光纤传输到光电探测器解调后转换成电信号输出。传感型光纤传感器的原理比传光型光纤传感器的复杂得多,它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,而且利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下,其光强、相位、偏振态等光学特性的变化来实现“传”和“感”的功能。此外,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。传感型光纤传感器应用*多的是相位调制型光纤传感器或者干涉型光纤传感器,,即外界因素使光纤中传输光的相位变化,进而改变出射光(干涉光)的强度变化来达到测量目的。常用的干涉型光纤传感器有Michelson干涉式光纤传感器、Mach-Zehnder干涉式光纤传感器、Fabry-Perot(F-P)干涉式光纤传感器、Sagnac干涉式光纤传感器、Fizeau干涉式光纤传感器等。
干涉型光纤传感器是高精度光纤传感与测量技术的*选择。拾光型光纤传感器该类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。光纤传感器按被测对象,又可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等。光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为光强调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。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传感器称为振幅调制传感型光纤传感器。改变光纤中光强的方法有多种,而改变光纤的微弯状态就是其中一种。光纤微弯传感器就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。其原理图如图所示。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给出。实验表明,该装置灵敏度达0.6μV/A(它强烈依赖于多模光纤中的导引模式分布,高阶模越多,越易转化为包层模,灵敏度也就愈高),相当于*小可测试位移为0.01nm,动态范围可望过100dB。利用外界因素引起的光纤中光波相位的变化来探测物理量等各种参量的传感器称为相位调制传感型光纤传感器。