光线传感器的原理及应用

光线传感器的原理及应用摘要通过介绍光纤传感器的构造及工作原理，光纤传感器的许多优越的特点，灵敏度高、可以任意改变形状、可用于恶劣的环境中等等。来说明光纤传感器是使用是非常广泛的，其应用领域是在我们的周围环境中，其重要性日益增强。最后，光纤技术会越来越得到应用，它会给我们人类带来极大的方便与利益。关键词光纤传感器灵敏度改变形状可用于恶劣环境引言一一光纤传感器可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。它与我们息息相关，我们需要它，它需要我们来对它进行改造，创新。一、 光导纤维的原理光纤传感器就是利用光导纤维的传光特性，把被测量转换为光特性（强度、相位、偏振态、频率、波长）改变的传感器。它的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。随着现代科学技术的发展，信息的获得显得越来越重要。光纤传感器具有许多优点：灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的的光纤传感器；可以制作传感各种不同的物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；光纤传感器可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀和其他的恶劣环境；具有与光纤遥测技术的内在相容性。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。2、 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。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，同一根光纤可以传输多路信号。3、 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。另外，利用光纤的柔韧性可将光纤传感器做成各种形状的传感器及传感器阵列，用于多参数测量。二、 光导纤维的主要参数1、数值孔径（NA）图（1〉光纤的结构如上图所示，将ei的正弦函数定义为光导纤维的数值孔径（na）.即R八s「“V1 ■1数值孔径反映纤芯接受光量的多少，是标志光导纤维的接受性能的一个重要参数。其意义是无论光源发射率有多大，只有20i张角之内的光功率能被光纤接收传播。2、 光纤模式光纤模式简单地说，就是光波沿光导纤维传播的途径和方式。在给定的光导纤维中，光线只是以某些角度入射时，所传播的光会以不同的角度入射的光线，在界面上反射的次数是不同的，传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布叫模式。3、 传播损耗由于光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响，光信号在光纤中的传播不可避免的要有损耗。以A来表示传播损耗（单位dB）,贝I」：A=al=20lg半式中：I为光纤长度；a为单位长度的衰减；01为光导纤维输入端光强；I为光导纤维输出端光强。三、光线传感器的应用1、光纤高温测量系统测量时，测量光纤插入钢水内部约40cm深。光纤可采用金属套层光纤，光纤插入钢水瞬间,光纤被烧蚀，端面形成半圆形凹面，这时，在金属套层被烧蚀前，光纤最前端可近似视为黑体。在测量段光纤被烧蚀前，钢水测量点处的温度可传出。钢水内部温度通过对光纤端面的辐射由光纤传输到光电转换及单片机处理系统。刹用辐射式测温虑理，测温公式为:-5ln-5ln2、基于微弯效应测压力微弯效应：光纤在微弯时引起纤芯中传输的光部分投入包层（全反射条件受到一定破坏），造成传输损耗，微弯程度不同，泄漏光波的强度也不同，从而达到光强度调制的目的。光纤压力传感器主要有强度调制型、相位调制型和偏振调制型三种。强度调制型光纤传感器是一种可用于测量位移、温度、压力、气体浓度等多种物理量的高精度传感器。大多基于弹性元件受压发生机械形变，将压力信号转换为位移信号来进行检测。为改善传感器的性能，微弱光强信号的检测需要载波调制和双光路补偿。传统的这类传感器通常采用模拟电路实现，存在着元件漂移误差、调校困难、不易组网、尺寸较大等固有的弊端。相位调制型光纤传感器是利用光纤本身作为敏感元件，通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。光纤中光的相位由光纤波导的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定，应力、应变、温度等外界物理量能直接改变上述三个波导参数，产生相位变化，实现光纤的相位调制。简单地说，将被测量转为光的波长或光程差的变化，从而使相位发生变化的方法称为相位调制。3、光线位移传感器反射式光强调制测量位移由光纤输出的光照射到反射面上发生反射，其中一部分反射光返回光纤，测出反射光的光强，就能确定反射面位移情况。这种传感器可使用两根光纤，分别作传输发射光及接收光用；也可以用一根光纤同时承担两种功能。为增加光通量可采用光纤束，此方法测量范围在9mm以内，其光强调制的示意如下图所示：图(4)光纤位移传感潺测址位移四、光线传感器的发展前景光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术，当今世界对光纤传感技术的应用研究已取得丰硕成果•光纤传感器与传统的机电类传感器相比具有很多优势，如本质防爆、抗电磁干扰