光纖傳感器的原理、分類、特點以及技術(shù)熱點和類型

　　光纖傳感器是利用光導(dǎo)纖維的傳光特性，把被測量轉(zhuǎn)換為光特性改變的傳感器。它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)。

　　光纖傳感器不同,光纖傳感器將被測信號的狀態(tài)以光信號的形式取出。光信號不僅能被人所直接感知,利用半導(dǎo)體二極管如光電二極管等小型簡單元件還可以進(jìn)行光電、電光轉(zhuǎn)換,極易與一些電子裝配相匹配,；另外光纖不僅是一種敏感元件,而且是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線。因此,光纖傳感器還可用于傳統(tǒng)的傳感器所不適用的遠(yuǎn)距離測量。

　　光纖傳感包含對外界信號(被測量)的感知和傳輸兩種功能。所謂感知，是指外界信號按照其變化規(guī)律使光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ奈锢硖卣鲄⒘浚鐝?qiáng)度(功率)、波長、頻率、相位和偏振態(tài)等發(fā)生變化，測量光參量的變化即感知外界信號的變化。這種感知實質(zhì)上是外界信號對光纖中傳播的光波實施調(diào)制。所謂傳輸,是指光纖將受外界信號調(diào)制的光波傳輸?shù)焦馓綔y器進(jìn)行檢測，將外界信號從光波中提取出來并按需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，也就是解調(diào)。

　　因此，光纖傳感技術(shù)包括調(diào)制與解調(diào)兩方面的技術(shù),即外界信號(被測量)如何調(diào)制光纖中的光波參量的調(diào)制技術(shù)(或加載技術(shù))及如何從已被調(diào)制的光波中提取外界信號(被測量)的解調(diào)技術(shù)(或檢測技術(shù))。

　　光纖傳感器的基本原理

　　光纖傳感器是光導(dǎo)纖維的簡稱，光纖的主要成份為二氧化硅，由折射較高的纖芯、折射率較低的包層及保護(hù)層組成。纖芯為直徑大約0.1 mm左右的細(xì)玻璃絲，把光封閉在其中并沿軸向進(jìn)行傳播的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。光纖傳感器的發(fā)現(xiàn)起源于探測光纖外部擾動的實踐，在實踐中，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)光纖受到外界環(huán)境的變化時，會引起光纖內(nèi)部傳輸光波參數(shù)的變化，而這些變化與外界因素成一定規(guī)律，由此發(fā)展出光纖傳感技術(shù)。

　　光纖對許多外界參數(shù)有一定的敏感效應(yīng)。研究光纖傳感原理就是研究如何應(yīng)用光纖的這些效應(yīng)，研究光在調(diào)制區(qū)內(nèi)與外界被測參數(shù)的相互作用，實現(xiàn)對外界被測參數(shù)的“傳"和“感"的功能，這是光纖傳感器的核心。

　　在光通信系統(tǒng)中，光纖被用作遠(yuǎn)距離傳輸光波信號的媒質(zhì)。顯然，在這類應(yīng)用中，光纖傳輸?shù)墓庑盘柺芡饨绺蓴_越小越。但是，在實際的光傳輸過程中，光纖易受外界環(huán)境因素影響，如溫度、壓力、電磁場等外界條件的變化，將引起光纖光波參數(shù)如光強(qiáng)、相位、頻率、偏振、波長等的變化。因此，人們發(fā)現(xiàn)如果能測出光波參數(shù)的變化，就可以知道導(dǎo)致光波參數(shù)變化的各種物理量的大小，于是產(chǎn)生了光纖傳感技術(shù)。光纖傳感技術(shù)是用光纖對某些物理量的敏感特性，將外界物理量轉(zhuǎn)換成可以直接測量的信號的技術(shù)。由于光纖不僅可以作為光波的傳播媒質(zhì)，而且由于光波在光纖中傳播時表征光波的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長等)因外界因素(如溫度、壓力、應(yīng)變、磁場、電場、位移、轉(zhuǎn)動等)的作用而直接或間接發(fā)生變化，從而也可將光纖用作傳感元件來探測各種物理量。

　　光纖傳感器的原理、分類、特點以及技術(shù)熱點和類型

　　上圖是光纖傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖。光纖傳感器通常由光源、傳輸光纖、傳感元件或調(diào)制區(qū)、光檢測等部分組成。光強(qiáng)、波長、振幅、相位、偏振態(tài)和模式分布等參量在光纖傳輸中都可能會受外界影響而發(fā)生改變，特別如溫度、壓力、加速度、電壓、電流、位移、振動、轉(zhuǎn)動、彎曲、應(yīng)變以及化學(xué)量和生物化學(xué)量等對光路產(chǎn)生影響時，都會使這些參量發(fā)生相應(yīng)變化。光纖傳感器就是根據(jù)這些參量隨外界因素的變化關(guān)系來檢測各相應(yīng)物理量的大小。

　　光纖傳感器的特點

　　與傳統(tǒng)的傳感器不同，光纖優(yōu)良的物理、化學(xué)、機(jī)械以及傳輸性能，使光纖傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、抗電磁干擾、防腐蝕、靈敏度很高、測量帶寬很寬、檢測電子設(shè)備與傳感器可以間隔很遠(yuǎn)等，并可以構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)。

　　先進(jìn)的光纖傳感器的靈敏度比傳統(tǒng)的傳感器高幾個數(shù)量級，可以測量的物理量已達(dá)70多種。總結(jié)起來它具有一下幾個：

　　1、精度高，響應(yīng)速度快，線性特征范圍寬，使用的重復(fù)性，檢測信號的信噪比高，由于現(xiàn)在光纖的量產(chǎn)化，價格低廉，可以廣泛使用。

　　2、光纖是由電介質(zhì)材料石英制成，傳輸?shù)氖枪庑盘枺虼税踩浴⑿裕闺姶鸥蓴_能力強(qiáng)，能適應(yīng)在電力、石油、化工、冶金等易燃易爆或有毒的環(huán)境條件下工作。

　　3、抗腐蝕，抗污染能力強(qiáng)，可用于溫差較大的地方，時間時間老化特性優(yōu)良，工作壽命長。

　　4、體積小，重量輕，容易安裝，對被測對象環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。

　　5、光纖是無源器件，自身獨(dú)立性，不會破壞被測量的狀態(tài)。

　　6、測量對象廣泛。目前已有性能不同的多種測量溫度、壓力、位移、速度、液面、核輻射等各種物理量、化學(xué)量、生物量等的光纖傳感器。

　　7、便于多點復(fù)用、傳輸損耗小，適合于組成測量網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多點實時智能化的遙測。