光纤传感器

光纤传感器分析

光纤自上世纪60年代问世以来, 就被应用于传感领域。最初的光纤传感器仍是基于传统的测量原理, 光纤只是用来传输远距离和难以接收到的信号。近年来, 随着光通信技术的发展, 许多影响光通信质量的因素得到研究, 大量新的光纤测量手段也不断涌现。目前, 光纤传感器正朝着微型化、数字化、智能化、网络化的方向发展。

光纤传感器有哪些特点

光纤传感器具有许多优异的性能:光纤中传输的是光信号, 完全不受电磁干扰的影响, 信号可以以较小的损耗传输很远的距离;光纤的材料石英玻璃是很好的绝缘体, 光纤传感器的耐压等级很高;光纤传感器在测量现场不带电信号, 没有产生电火花, 起火爆炸的危险。光纤传感器还具有体积小、质量轻、灵敏度高、响应速度快等特点, 非常适合在各种恶劣环境下实现高性能的参数测量。

光纤传感器的基本工作原理

光纤传感器是以光纤作为传感材料, 外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量发生变化的传感器。这些被调制的物理特征参量包括光的强度、频率、波长、相位和偏振, 其中后四种物理特征参量的调制使得光纤传感器对被测量十分敏感。

光纤传感器由什么组成

一个完整的光纤传感器系统包括光源、光纤、光纤器件、传感元件、探测器和信号处理等部分。

1) 典型的光纤传感器光源有发光二极管和半导体激光器;白炽灯也可用于某些化学传感器。

2) 光纤包括石英光纤、玻璃光纤和塑料光纤, 其中石英光纤和玻璃光纤主要用于红外波段, 塑料光纤则主要用于可见光波段;在某些传感器中还需要用专门研制的特殊光纤。

3) 光纤器件是为了使信号被限制在纤芯范围内传输, 或是为了改变光的某些参数使其更适合于测量的部件, 典型的光纤器件有光纤耦合器、滤波器、衰减器等, 在一些简单的光纤传感器中有时没有光纤器件。

4) 传感元件是根据被测信号来调制光纤传输光参数的部件, 它有时候是光纤本身, 如拉曼散射式光纤温度传感器;有时候是对光纤进行特殊的处理, 使其对被测量敏感, 如光纤光栅传感器;有时候是通过一些结构将被测量转变为机械形变来对光纤进行调制, 如电致伸缩式电压传感器;还有的是通过外部的敏感元件来对传输光进行调制, 如荧光式光纤温度传感器。

5) 探测器是用来对光信号进行检测的器件, 一般包括光电二极管、光电三极管、光电池、光电雪崩二极管、光电倍增管等;由于现有的光电探测器只能检测光强信号, 有的传感器中还需要使用专门的光路结构来将光的频率、波长、相位、偏振态转变为光强来进行检测。

6) 信号处理单元接收光电探测器输出的电信号, 将其还原为被测信号, 并为传感系统的后续控制电路提供接口。

光纤传感器实际应用

光纤传感器可以测量许多参数, 如位移、应变、压力、温度、振动、声场、折射率、加速度、角速度、电压、电流、气体浓度等。光纤传感器的测量原理也分许多种, 比较常见的有荧光测量原理、半导体测量原理、光纤光栅测量原理、F-P腔测量原理、光纤微弯测量原理等。