光纤传感器的原理及应用原理

光纤传感器的原理及应用原理

光纤传感器该传感器已经发展了近几十年来迅速开发的新传感器。它具有抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高、重量轻、能在恶劣环境下工作等一系列优点,因而具有广泛的应用前景。目前已有测量温度、压力、位移、加速度、电流等多种物理量的光纤传感器问世。本文从光纤传感器的类别出发,介绍光强调制型、相位调制型、偏振态调制型等几类光纤传感器的应用原理及基本特点。1光纤传感器的基本原理光纤是利用光的全反射原理来引导光波的。当光波在光纤中传输时,表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等),会由于被测参量(温度、压力、加速度、电场、磁场等)对光纤的作用而发生变化,从而引起光波的强度、干涉效应、偏振面发生变化,使光波成为被调制的信号光,再经过光探测器和解调器从而获得被测参量的参数。光纤传感器可以按传感原理分为两类,一类称为功能型传感器,它的光纤对被测信号兼有敏感和传输的作用,即它具有传与感合一的特点。另一类称为非功能型传感器,它的光纤仅起传输的作用,而对被测信号的感觉则是利用其他光学敏感元件来完成的。光纤传感器还可以按光波在光纤中被调制的原理分为:光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型等几种形式。下面介绍这几种光纤传感器的应用原理及其基本特点。2应用光绪传感器的原理2.1影响光纤微弯状态的因素这是一种利用被测量的变化引起光纤中的光强发生变化的光纤传感器。能够引起光纤中光强发生变化的因素有:改变光纤的微弯状态,改变光纤对光波的吸收特性,改变光纤包层的折射率。下面分别讨论利用以上三个因素制成的光强调制型光纤传感器的应用原理。2.1.1光纤氧化压力的测包层和光纤学利用微弯效应制成的光纤位移传感器的原理如图1。它是利用多模光纤在受到弯曲时,一部分芯模能量会转化为包层模式能量这一原理,通过测包层模式能量的变化来测量位移。例如:利用这一原理制成的光纤报警器,其基本原理是光纤呈弯曲状织于地毯中,当有人站在地毯上时,地毯弯曲状加剧,引起光纤光强变化,产生报警信号。研制这类传感器的关键在于确定变形器的最佳结构,最佳结构一般通过实验确定。2.1.2光纤辐射传感器X射线和γ射线会使光纤材料的吸收损耗增加,从而使光纤输出功率减小。利用这一原理可以制成光纤辐射传感器,用于核电站大范围的监测。与此类似的还有光纤紫外光传感器。紫外光照射会使光纤激发荧光,由荧光强弱探测紫外光强。这一类传感器的关键是要制作特殊光纤。2.1.3光纤端面输出光强图2是一种全内反射光纤传感器原理图。它的光纤端面的角度被磨成恰好等于临界角。从纤芯输入的光将从端面全反射,经反射镜再沿原路返回输出。当被测参量(折射率、浓度、温度等)发生变化时,光纤端面包层的折射率发生变化,全反射的条件被破坏,因而输出光强下降。由此原理可制成光纤液体浓度传感器,光纤折射率计等。2.2特殊光纤干涉仪传感器这类传感器的基本原理是利用被测参量对光学敏感元件的作用,使敏感元件的折射率、传感常数或光强发生变化,从而使光的相位随被测参量而变,然后用干涉仪进行解调,即可得到被测参量的信息。用以上原理制成的光纤干涉仪可测量地震波、水压(包括水声)、温度、加速度、电流、磁场等,并可检测液体、气体的成分。这类光纤传感器的灵敏度很高,传感对象广泛(只要能对干涉仪中的光程产生影响均可以传感),但是需要特种光纤。这主要是针对光纤干涉仪中为获得干涉效应要采用单模光纤,最好采用“双折射率”单模光纤,并且为了使光纤干涉仪对被测物理量进行“增敏”,对非被测物理量进行“去敏”,需对单模光纤进行特殊处理,以满足测量不同物理量的要求。图3是Michelson光纤干涉仪,它利用一个光纤定向耦合器构成双光束干涉仪,两光纤之一为参考臂,另一为传感臂。被测参量的变化可直接引起干涉仪中传感臂光纤的长度L(对应于光纤的弹性变形)和折射率发生变化,从而引起光纤中光波相位的变化。若把磁致伸缩材料或压电材料固定在传感臂上,则可利用它们对光纤引起的压力变化来测量弱磁场或弱电场。若在传感臂上镀上金属薄膜,则可利用电流的热效应来测量电流。2.3求激光导线中电流被测参量可使光纤中光波的偏振态发生变化,检测该种变化的光纤传感器称为偏振态调制型。最典型的是测量大电流用的光纤电流传感器。基本原理是利用光纤材料的法拉第效应,即光纤处于磁场中,磁场使光纤中光波的偏振面旋转,旋转角θ与磁场强度H、磁场中光纤的长度L满足:θ=KHL,K为光纤材料系数。由长直载流导线在周围空间产生的磁场H=I/2πR(R是光纤与载流导线间的垂直距离),则θ=KLI/2πR只要测出θ,L,R即可求出导线中的电流。图4为其原理图。这种测电流的方法测量范围大、灵敏度高、与高压线无接触,使输入输出端实现了电绝缘。但是目前实际测量还存在一些问题,主要是受外界温度、压力变化等影响,光纤本身会产生双折射效应,从而引起测量误差。3光纤传感器的优点和以电为基础的传统传感器相比,光纤传感器具有以下优点。(1)rad的相位差例如目前用的Mach-Zehnder光纤干涉仪能检测0.1μrad的相位差,若光源的波长为1μm,相当于10-14m光程差。即采用干涉型光纤传感器可测非常小的物理量。(2)抗静电串音性能一般电磁辐射频率比光波频率低的多,所以在光纤中传播的光不受一般电磁噪声的影响,此外光纤中的渐衰场只限于在包层中离纤芯数微米处,而通常光纤包层都在10μm以上,因此在多芯光缆中纤芯间具有良好的抗电磁串音性能。(3)电绝缘件和无源元件光纤本身是一种化学性能稳定的高绝缘物质,且敏感元件可以做成电绝缘和电无源元件。因此光纤传感器不仅化学稳定性好,而且电绝缘性能也高,特别适用于电力工业和化学工业中需要高压隔离和易燃易爆的恶劣环境。(4)医用光纤传感器光纤传感器的敏感元件是电无源的,故