光纖傳感器的原理及應(yīng)用原理

光纖傳感器的原理及應(yīng)用原理

光纖傳感器該傳感器已經(jīng)發(fā)展了近幾十年來迅速開發(fā)的新傳感器。它具有抗電磁干擾、電絕緣性好、靈敏度高、重量輕、能在惡劣環(huán)境下工作等一系列優(yōu)點,因而具有廣泛的應(yīng)用前景。目前已有測量溫度、壓力、位移、加速度、電流等多種物理量的光纖傳感器問世。本文從光纖傳感器的類別出發(fā),介紹光強調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型等幾類光纖傳感器的應(yīng)用原理及基本特點。1光纖傳感器的基本原理光纖是利用光的全反射原理來引導光波的。當光波在光纖中傳輸時,表征光波的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長等),會由于被測參量(溫度、壓力、加速度、電場、磁場等)對光纖的作用而發(fā)生變化,從而引起光波的強度、干涉效應(yīng)、偏振面發(fā)生變化,使光波成為被調(diào)制的信號光,再經(jīng)過光探測器和解調(diào)器從而獲得被測參量的參數(shù)。光纖傳感器可以按傳感原理分為兩類,一類稱為功能型傳感器,它的光纖對被測信號兼有敏感和傳輸?shù)淖饔?即它具有傳與感合一的特點。另一類稱為非功能型傳感器,它的光纖僅起傳輸?shù)淖饔?而對被測信號的感覺則是利用其他光學敏感元件來完成的。光纖傳感器還可以按光波在光纖中被調(diào)制的原理分為:光強調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型等幾種形式。下面介紹這幾種光纖傳感器的應(yīng)用原理及其基本特點。2應(yīng)用光緒傳感器的原理2.1影響光纖微彎狀態(tài)的因素這是一種利用被測量的變化引起光纖中的光強發(fā)生變化的光纖傳感器。能夠引起光纖中光強發(fā)生變化的因素有:改變光纖的微彎狀態(tài),改變光纖對光波的吸收特性,改變光纖包層的折射率。下面分別討論利用以上三個因素制成的光強調(diào)制型光纖傳感器的應(yīng)用原理。2.1.1光纖氧化壓力的測包層和光纖學利用微彎效應(yīng)制成的光纖位移傳感器的原理如圖1。它是利用多模光纖在受到彎曲時,一部分芯模能量會轉(zhuǎn)化為包層模式能量這一原理,通過測包層模式能量的變化來測量位移。例如:利用這一原理制成的光纖報警器,其基本原理是光纖呈彎曲狀織于地毯中,當有人站在地毯上時,地毯彎曲狀加劇,引起光纖光強變化,產(chǎn)生報警信號。研制這類傳感器的關(guān)鍵在于確定變形器的最佳結(jié)構(gòu),最佳結(jié)構(gòu)一般通過實驗確定。2.1.2光纖輻射傳感器X射線和γ射線會使光纖材料的吸收損耗增加,從而使光纖輸出功率減小。利用這一原理可以制成光纖輻射傳感器,用于核電站大范圍的監(jiān)測。與此類似的還有光纖紫外光傳感器。紫外光照射會使光纖激發(fā)熒光,由熒光強弱探測紫外光強。這一類傳感器的關(guān)鍵是要制作特殊光纖。2.1.3光纖端面輸出光強圖2是一種全內(nèi)反射光纖傳感器原理圖。它的光纖端面的角度被磨成恰好等于臨界角。從纖芯輸入的光將從端面全反射,經(jīng)反射鏡再沿原路返回輸出。當被測參量(折射率、濃度、溫度等)發(fā)生變化時,光纖端面包層的折射率發(fā)生變化,全反射的條件被破壞,因而輸出光強下降。由此原理可制成光纖液體濃度傳感器,光纖折射率計等。2.2特殊光纖干涉儀傳感器這類傳感器的基本原理是利用被測參量對光學敏感元件的作用,使敏感元件的折射率、傳感常數(shù)或光強發(fā)生變化,從而使光的相位隨被測參量而變,然后用干涉儀進行解調(diào),即可得到被測參量的信息。用以上原理制成的光纖干涉儀可測量地震波、水壓(包括水聲)、溫度、加速度、電流、磁場等,并可檢測液體、氣體的成分。這類光纖傳感器的靈敏度很高,傳感對象廣泛(只要能對干涉儀中的光程產(chǎn)生影響均可以傳感),但是需要特種光纖。這主要是針對光纖干涉儀中為獲得干涉效應(yīng)要采用單模光纖,最好采用“雙折射率”單模光纖,并且為了使光纖干涉儀對被測物理量進行“增敏”,對非被測物理量進行“去敏”,需對單模光纖進行特殊處理,以滿足測量不同物理量的要求。圖3是Michelson光纖干涉儀,它利用一個光纖定向耦合器構(gòu)成雙光束干涉儀,兩光纖之一為參考臂,另一為傳感臂。被測參量的變化可直接引起干涉儀中傳感臂光纖的長度L(對應(yīng)于光纖的彈性變形)和折射率發(fā)生變化,從而引起光纖中光波相位的變化。若把磁致伸縮材料或壓電材料固定在傳感臂上,則可利用它們對光纖引起的壓力變化來測量弱磁場或弱電場。若在傳感臂上鍍上金屬薄膜,則可利用電流的熱效應(yīng)來測量電流。2.3求激光導線中電流被測參量可使光纖中光波的偏振態(tài)發(fā)生變化,檢測該種變化的光纖傳感器稱為偏振態(tài)調(diào)制型。最典型的是測量大電流用的光纖電流傳感器。基本原理是利用光纖材料的法拉第效應(yīng),即光纖處于磁場中,磁場使光纖中光波的偏振面旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)角θ與磁場強度H、磁場中光纖的長度L滿足:θ=KHL,K為光纖材料系數(shù)。由長直載流導線在周圍空間產(chǎn)生的磁場H=I/2πR(R是光纖與載流導線間的垂直距離),則θ=KLI/2πR只要測出θ,L,R即可求出導線中的電流。圖4為其原理圖。這種測電流的方法測量范圍大、靈敏度高、與高壓線無接觸,使輸入輸出端實現(xiàn)了電絕緣。但是目前實際測量還存在一些問題,主要是受外界溫度、壓力變化等影響,光纖本身會產(chǎn)生雙折射效應(yīng),從而引起測量誤差。3光纖傳感器的優(yōu)點和以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器相比,光纖傳感器具有以下優(yōu)點。(1)rad的相位差例如目前用的Mach-Zehnder光纖干涉儀能檢測0.1μrad的相位差,若光源的波長為1μm,相當于10-14m光程差。即采用干涉型光纖傳感器可測非常小的物理量。(2)抗靜電串音性能一般電磁輻射頻率比光波頻率低的多,所以在光纖中傳播的光不受一般電磁噪聲的影響,此外光纖中的漸衰場只限于在包層中離纖芯數(shù)微米處,而通常光纖包層都在10μm以上,因此在多芯光纜中纖芯間具有良好的抗電磁串音性能。(3)電絕緣件和無源元件光纖本身是一種化學性能穩(wěn)定的高絕緣物質(zhì),且敏感元件可以做成電絕緣和電無源元件。因此光纖傳感器不僅化學穩(wěn)定性好,而且電絕緣性能也高,特別適用于電力工業(yè)和化學工業(yè)中需要高壓隔離和易燃易爆的惡劣環(huán)境。(4)醫(yī)用光纖傳感器光纖傳感器的敏感元件是電無源的,故