光纖傳感器的分類結(jié)構(gòu)及工作原理

分類：技術(shù)中心 2678人瀏覽 2020-10-09

光纖傳感器是一種將被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的傳感器。光纖傳感器的工作原理是將光源入射的光束經(jīng)由光纖送入調(diào)制器，在調(diào)制器內(nèi)與外界被測(cè)參數(shù)的相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化，成為被調(diào)制的光信號(hào)，再經(jīng)過光纖送入光電器件、經(jīng)解調(diào)器后獲得被測(cè)參數(shù)。整個(gè)過程中，光束經(jīng)由光纖導(dǎo)入，通過調(diào)制器后再射出，其中光纖的作用首先是傳輸光束，其次是起到光調(diào)制器的作用。

光纖傳感器的分類
根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式可以分為：強(qiáng)度調(diào)制型、偏振態(tài)制型、相位制型、頻率制型；
根據(jù)光是否發(fā)生干涉可分為：干涉型和非干涉型；
根據(jù)是否能夠隨距離的增加連續(xù)地監(jiān)測(cè)被測(cè)量可分為：分布式和點(diǎn)分式；

根據(jù)光纖在傳感器中的作用可以分為：
一類是功能型（Functional Fiber，縮寫為FF)傳感器，又稱為傳感型傳感器；
另一類是非功能型（Non Functional Fiber縮寫為NFF)，又稱為傳光型傳感器。

功能型
功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，再通過對(duì)被調(diào)制過的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而得出被測(cè)信號(hào)。

光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測(cè)量調(diào)制，多采用多模光纖。
優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。
缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高，
典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。

非功能光纖型
非功能型光纖傳感器是利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)，常采用單模光纖。
光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測(cè)量調(diào)制。
優(yōu)點(diǎn)：光纖即可用于電氣隔離，有用于數(shù)據(jù)傳輸，且光纖傳輸?shù)男盘?hào)不受電磁干擾的影響。

實(shí)用化的大都是非功能型的光纖傳感器。AnyWay的變頻電壓傳感器、變頻電流傳感器、變頻功率傳感器（一種電壓、電流組合式傳感器）就屬于非功能型的光纖傳感器，在復(fù)雜電磁環(huán)境下的電量測(cè)量中，有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，可以用來測(cè)量多種物理量，比如聲場(chǎng)、電場(chǎng)、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)難以完成的測(cè)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。光纖傳感器有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(cè)量。外接的被測(cè)量物理量能夠引起測(cè)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(cè)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(gè)變化就可檢測(cè)出被測(cè)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(cè)出10的負(fù)4次方弧度的微小相位變化所對(duì)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(shí)，就會(huì)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(duì)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(jì)的原理。

布拉格光柵
光纖布拉格光柵傳感器（FBS）是一種使用頻率最高，范圍最廣的光纖傳感器，這種傳感器能根據(jù)環(huán)境溫度以及/或者應(yīng)變的變化來改變其反射的光波的波長。光纖布拉格光柵是通過全息干涉法或者相位掩膜法來將一小段光敏感的光纖暴露在一個(gè)光強(qiáng)周期分布的光波下面。這樣光纖的光折射率就會(huì)根據(jù)其被照射的光波強(qiáng)度而永久改變。這種方法造成的光折射率的周期性變化就叫做光纖布拉格光柵。

當(dāng)一束廣譜的光束被傳播到光纖布拉格光柵的時(shí)候，光折射率被改變以后的每一小段光纖就只會(huì)反射一種特定波長的光波，這個(gè)波長稱為布拉格波長，這種特性就使光纖布拉格光柵只反射一種特定波長的光波，而其它波長的光波都會(huì)被傳播。

按光纖在光纖傳感器中的作用可分為傳感型和傳光型兩種類型。

傳感型光纖傳感器的光纖不僅起傳遞光作用，同時(shí)又是光電敏感元件。由于外界環(huán)境對(duì)光纖自身的影響，待測(cè)量的物理量通過光纖作用于傳感器上，使光波導(dǎo)的屬性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)、波長等)被調(diào)制。傳感器型光纖傳感器又分為光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型等。

傳光型光纖
傳光型光纖傳感器是將經(jīng)過被測(cè)對(duì)象所調(diào)制的光信號(hào)輸入光纖后，通過在輸出端進(jìn)行光信號(hào)處理而進(jìn)行測(cè)量的，這類傳感器帶有另外的感光元件對(duì)待測(cè)物理量敏感，光纖僅作為傳光元件，必須附加能夠?qū)饫w所傳遞的光進(jìn)行調(diào)制的敏感元件才能組成傳感元件。光纖傳感器根據(jù)其測(cè)量范圍還可分為點(diǎn)式光纖傳感器、積分式光纖傳感器、分布式光纖傳感器三種。其中，分布式光纖傳感器被用來檢測(cè)大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布，可以快速無損測(cè)量結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)部或表面應(yīng)力等重要參數(shù)。用于土木工程中的光纖傳感器類型主要有Math-Zender干涉型光纖傳感器，F(xiàn)abry-pero腔式光纖傳感器，光纖布喇格光柵傳感器等。

光纖傳感器的輕巧性、耐用性和長期穩(wěn)定性，使其能夠方便的應(yīng)用于建筑鋼結(jié)構(gòu)和混凝土等各種建筑材料的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)的建筑結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)。

光纖傳感器的另外一個(gè)大類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(cè)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(cè)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(cè)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。

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(cè)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、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號(hào)光，再利用被測(cè)量對(duì)光的傳輸特性施加的影響，完成測(cè)量。

光纖傳感器的測(cè)量原理有兩種。
（1）物性型光纖傳感器原理，物性型光纖傳感器是利用光纖對(duì)環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號(hào)。其工作原理基于光纖的光調(diào)制效應(yīng)，即光纖在外界環(huán)境因素，如溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等等改變時(shí)，其傳光特性，如相位與光強(qiáng)，會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。

因此，如果能測(cè)出通過光纖的光相位、光強(qiáng)變化，就可以知道被測(cè)物理量的變化。這類傳感器又被稱為敏感元件型或功能型光纖傳感器。激光器的點(diǎn)光源光束擴(kuò)散為平行波，經(jīng)分光器分為兩路，一為基準(zhǔn)光路，另一為測(cè)量光路。外界參數(shù)(溫度、壓力、振動(dòng)等)引起光纖長度的變化和相位的光相位變化，從而產(chǎn)生不同數(shù)量的干涉條紋，對(duì)它的模向移動(dòng)進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可測(cè)量溫度或壓等。

（2）結(jié)構(gòu)型光纖傳感器原理，結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是由光檢測(cè)元件(敏感元件)與光纖傳輸回路及測(cè)量電路所組成的測(cè)量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。

光纖傳感器的結(jié)構(gòu)組成
光纖傳感器網(wǎng)的三種基本構(gòu)成。
光纖傳感器網(wǎng)有三種基本構(gòu)成，其中一個(gè)叫單點(diǎn)式傳感器。一根光纖在這里僅僅起到傳輸?shù)淖饔?，另外一種叫多點(diǎn)式傳感器，在這里一根光纖把很多傳感器串起來，這樣很多傳感器可以共用光源實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性監(jiān)測(cè)。再有就是智能光纖傳感器。

多點(diǎn)式光纖傳感器，從外表看就是一節(jié)光柵，通過紫外線照射發(fā)現(xiàn)有周期性的間隔。當(dāng)有光纖入射的時(shí)候，如果光纖的波長正好等于間隔的兩倍，那么這個(gè)光波將會(huì)受到強(qiáng)烈的反射，而如果光纖受到溫度變化或者應(yīng)變等等，這個(gè)反射波長將會(huì)發(fā)生變化，這種傳感器在一根光纖上可以做很多個(gè)，把它連接起來就可以用于各種各樣的傳感應(yīng)用。

因?yàn)楣饫w是軟的，它可以兩維、三維，所以橫軸是空間的位置，縱軸是測(cè)量對(duì)象。這樣一個(gè)傳感網(wǎng)解決了什么問題呢?它解決了在什么位置上發(fā)生了什么事情，那個(gè)事情有多少個(gè)強(qiáng)度的問題，也就是提供了兩維的信息。這就是智能光纖傳感器所需要解決的問題，它有非常突出的特點(diǎn)要求，包括體積小、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，可植入材料中。抗電磁干擾、耐環(huán)境。

光纖傳感器已經(jīng)成功應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。我們看到A-380和波音787，它們的特點(diǎn)是超過一半數(shù)量是碳纖維，比如說碳纖維符合樹脂有幾種缺失，一個(gè)是層與層之間的剝離，由于這種材料比較強(qiáng)，所以很難像鋁合金材料那樣實(shí)行碳酸檢測(cè)，所以研究人員現(xiàn)在開始研究把光纖傳感器埋到復(fù)合材料當(dāng)中去，由于這種材料一層大概125微米的厚度，所以這種光纖傳感器必須是特別細(xì)小的光纖傳感器，大概直徑在50個(gè)微米左右。

我們說光纖傳感器網(wǎng)可以成為安全安心社會(huì)的神經(jīng)網(wǎng)。光纖傳感器網(wǎng)可以用于光纖通訊網(wǎng)的診斷技術(shù)。光纖傳感器網(wǎng)在安防方面已經(jīng)有很多的應(yīng)用，國內(nèi)有很多企業(yè)在這方面開展了卓有成效的工作。

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