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1、光纤传感器介绍摘要 本文介绍了几类常用光纤传感器，具体分析了波长调制型光纤传感器的原理、结构和应用，结合实验对光纤传感器位移实验作了分析。关键词 光纤 传感器 功能型 非功能型 波长 振幅 相位0 引言光纤传感器，英文名称：optical fiber transducer。航空科技领域定义其为利用光导纤维 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；机械 工程定义其为利用光纤技术和光学原理，将感受的被测量转换成可用输出信号的传感器。近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程 中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤
2、具有很多优异的性能，例如：抗电 磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐 水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的 地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感 受不到的外界信息。1 光纤传感器的特点与传统的传感器相比，光纤传感器的主要特点如下：（1）抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全。由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因而不 怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这使它在各种大型机电、石油化工 冶金高压、强电磁干扰、易燃、易
3、爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感。（2）灵敏度高。利用长光纤和光波干涉技术使不少光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。其中有的已 由理论证明，有的已经实验验证，如测量转动、水声、加速度、位移、温度、磁场等物理量 的光纤传感器。（3）重量轻，体积小，外形可变。光纤除具有重量轻、体积小的特点外，还有可挠的优点，因此利用光纤可制成外形各异、 尺寸不同的各种光纤传感器。这有利于航空、航天以及狭窄空间的应用。（4）测量对象广泛。目前已有性能不同的测量温度、压力、位移、速度、加速度、液面、流量、振动、水声 电流、电场、磁场、电压、杂质含量、液体浓度、核辐射等各种物理量、化学量的光纤传感 器在现场使用。（5
4、）对被测介质影响小。这对于医药生物领域的应用极为有利。（6）便于复用，便于成网。 有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络。（7）成本低。 有些种类的光线传感器的成本将大大地预计现有同类型传感器。2 各种光纤传感器的简单介绍光纤传感器一般分为振幅调制传感型光纤传感器、相位调制传感型光纤传感器、偏振态调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器、光纤荧光温度传感器、分布式光纤传感器、聚 合物光纤传感器、光子晶体光纤传感器、传光型光纤传感器等。下文针对本类常用的传感器 的种类、特点及应用范围做了简单介绍。2.1 振幅调制传感型光纤传感器 振幅调制传感型光纤传感器是利用外界因素引起的光纤中光强的变化
5、来探测物理量等各 种参量的光纤传感器。改变光纤中光强的办法目前有以下几种：改变光纤的微弯状态、改变 光纤的耦合条件、改变光纤对光波的吸收特件、改变光纤中的折射率分布等。本类传感器包 括以下几种类型：2.1.1 光纤微弯传感器 特点是利用光纤中的微弯损耗来探测外界物理量的变化。它是利用多模光纤在受到微弯时，一部分芯模能量会转化为包层模能量这一原理，通过测量包层模能量或芯模能量的变化 来测量位移或振动等。图 2.1 是其原理图，激光束经扩束、聚焦输入多模光纤。其中的非导 引模由杂模滤除器去掉，然后在变形器作用下产生位移，光纤发生微弯的程度不同时，转化 为包层模式的能量也随之改变。变形器由测微头调整
6、至某一恒定变形量；待测的交变位移由 压电陶瓷变换给出。图 2.1 光纤微弯传感器原理图应用：由于光纤微弯传感器技术上比较简单，光纤和元器件易于获得，我国已经研制成 基于这种原理的光纤报警器。其基本结构是光纤呈弯曲状，织于地毯中，当人站立在地毯上 时，光纤弯曲状态加剧，这是通过光纤的光强随之变化，因而产生报警信号。2.1.2 光纤受抑内反射传感器特点：利用光波在高折射率介质内的受抑全反射现象也可构成光纤传感器。因为当两光 纤端面十分靠近时，大部分光能可从一根光纤耦合进另一根光纤，当一根光纤保持固定，另 一光纤随外界因素而移动，由于两光纤端面之间间距的改变，其耦合效率会随之变化。测出 光强的这一变
7、化就可求出光纤端面位移量的大小。这类传感器的最大缺点是需要精密机械调 整和固定装置，对现场使用不利。应用：这种结构的光纤传感器的优点是不需要任何机械调整装置，因而增加了传感头的 稳定性。利用与此类似的结构，现已研制成光纤浓度传感器、光纤气液二相流传感器、光 纤温度传感器等多种用途的光纤传感器。2.1.3 光纤辐射传感器特点：X射线、射线等的辐射会使光纤材料的吸收损耗增加，从而使光纤的输出功率下降。利用这一特性可以光纤辐射传感器，它具有灵明度高，线性范围大，结构灵活，牢固可 靠，有“记忆”特性。不同的光纤成分对不同的辐射敏感。应用：既可以做成小巧仪器，也可用于核电站、放射性物质堆放处等大范围的监
8、测。2.2 相位调制传感型光纤传感器相位调制传感型光纤传感器是利用外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测各种物理 量的传感器。这类光纤传感器的主要特点如下：（1）灵敏度高。（2）灵活多样。（3）对象广泛。不论何种物理量，只要对干涉仪中的光程产生影响，就可用于传感。目 前利用各种类型的光纤干涉仪已研究成测量压力（包括水声）、转动，温度、加速度、电流、磁 场、液体成分等多种物理量的光纤传感器。而且，同一种干涉仪，常常可以对多种物理量进 行传感。（4）对光纤有特殊需要。在光纤干涉仪中，为获得干涉效应，应使同一模式的光叠加， 为此要用单模光纤。根据传统的光学干涉仪的原理，目前已研制成光纤MachZeh
9、nder干涉仪、光纤Sagnae 干涉仪、光纤 FabryPerot 干涉仪以及光纤环形腔干涉仪等，并且都已用于光纤传感。典型 的相位调制传感型光纤传感器有光纤法-珀传感器和白光干涉型光纤传感器。2.2.1 光纤法-珀传感器根据光纤法-珀传感器的结构形式，光纤法-珀传感器主要分为本征型、非本征型光纤法- 珀传感器和线型复合腔光纤法-珀传感器三种。1）本征型光纤法-珀传感器 本征型光纤法-珀传感器是研究最早的一种光纤法一珀传感器。它是将光纤截为三段，并 在两端端面镀上高反射膜，再中间段光纤焊接，此时中间段的长度 L 就是法-珀腔的腔长 L， 显然这是本征型光纤法-珀传感器。由于光纤法-珀传感器的
10、腔长 L 一般为数十微米量级，因此 中间段的加工难度很大。2）非本征型光纤法-珀传感器 非本征型光纤法-珀传感器是目前应用最为广泛的一种光纤法-珀传感器。它是由两个端面 镀膜的单模光纤，端面严格平行、同轴，密封在一个长度为D、内径为d的特种管道内而成。 它具有以下优点：（1）腔长易控光纤F-P腔的装配过程中，易于用特种微调机构调整和精确控制腔长L。（2）灵敏度可调由于光纤F-P腔的导管长度DL，且D是传感器的实际敏感长度，因此可通过改变D的 长度来控制传感器的灵敏度。（3）FP 腔是 L 的单值函数法-珀腔是由空气间隙组成的，其折射率约等于1,故可近似认为F-P腔是L的单参数函 数。应用: 由
11、于光纤纤细、脆弱，因此，在实际工程中较少使用裸光纤法一珀腔，而一般都 是根据实际应用对象的特点，附加一定保护结构，从而构成针对特殊对象的光纤法一珀传感 器，如应力应变传感器、压力传感器、温度传感器、振动传感器等。目前光纤法一珀传感 器最具有标志性的应用对象，是大型构件的安全检测。2.2.2 白光干涉型光纤传感器特点是它由两个光纤干涉仪组成，其中一个干涉仪用作传感头，放在被测量点，同时又 作为第二个干涉仪的传感臂；第二个干涉仪的另一支臂作为参考臂，放在远离现场的控制室， 提供相位补偿。应用：目前，白光干涉型光纤传感器主要应解决的两大问题是低相干度光源的获得和零 级干涉条纹的检测。理论分析表明，要
12、精确测定零级干涉条纹位置，一方面要尽量降级光源 的相干长度，另一方面要选用合适的测试仪器和测试方法， 以提高确定零级干涉条纹中心位 置的精度。随着光纤白光干涉传感技术的不断发展，该技术日趋完善，同时也发展了越来越多的应 用。目前已发展了低相干尺度光纤结构传感器，在工业和建筑业中使用，获得了几个微应变 的分辨率，其测量范围超过几千个微应变。2.3 偏振态调制型光纤传感器 外界因素使光纤中光波模式的偏振态发生变化，对其进行检测的光纤传感器属于偏振态 调制型，最典型的例子就是高压传输线用的光纤电流传感器。光纤测电流的基本原理是利用 光纤材料的Faraday效应（熔石英的磁光效应），即处于磁场中的光纤
13、会使在光纤中传播的偏振 光发生偏振面的旋转，其旋转角度n与磁场强度H、磁场中光纤的长度L成正比：Q = VHL式中V是菲尔德（Verket）常数，是光纤的材料常数。由于载流导线在周围空间产生的磁场 满足安培环路定律，对于长直导线有H = I/（2“ R），因此只要测量n，L，R的值，就可由VLI0 二 二 VNI2兀R求出长直导线只能中的电流I,式中N是绕在导线上的光纤的总匝数。/i*/：驱辅电线陽梅Td_1f输出面折射率3-0*|=信号牡理图 2.2 光纤电流传感器原理图具体的原理实验装置如图 2.2 所示。从激光器发出的激光束经起偏器、物镜耦合进入单模 光纤。光纤绕在高压载流导线，通过其中
14、的电流为I。光纤在这一段光纤上产生磁光效应，使 通过光纤的偏振光产生一角度为 n 的偏振面的旋转。出射光经偏振棱镜把光束分成振动方向 相互垂直的两束偏振光。再通过光探测器变成电信号，分别送进信号处理单元进行运算。最 后由计算器输出的将是函数12式中11、12分别为两偏振光的强度，在通过一定的计算即可得出被测电流I的值。应用：不仅能用于电力系统中电流的测量，而且与电机制造厂、测量仪器仪表厂结合， 还可研制开发线路事故点的标定装置及事故区间的判定装置等一系列电力系统的测量诊断 装置。随着光电技术及其相关技术的迅速发展，光纤电流传感器在电力系统中的应用前景将 日益广阔。2.4 波长调制型光纤传感器光
15、纤光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器。基于光纤光栅传感器的传感过程 是通过外界参量对布拉格中心波长的调制来获取传感信息，这是一种波长调制型光纤传感器。一般实际应用中，均按光纤光栅周期的长短分为短周期光纤光栅和长周期光纤光栅两大 类。周期小于1um的光纤光栅称为短周期光纤光栅，又称为光纤布拉格光栅或反射光栅(fiber Bragg grating， FBG)；而把周期为几十至几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅(10ng period grating。LPG)，又称为透射光栅。短周期光纤光栅的特点是传输方向相反的两个芯模之 间发生耦合，属于反射型带通滤波器。长周期光纤光栅的特点是同向传输
16、的纤芯基模和包层 模之间的耦合，无后向反射，属于透射型带阻滤波器。应用：（一）光纤布拉格光栅在光纤传感器领域中的应用： 在测量方面可以进行单参量测量、双参量测量、分布式多点测量，另外在土木工程、航空航 天及船舶、石油化工、电力工业、医学和核工业中都有广泛的应用。（二）长周期光纤光栅在传感器领域中应用： 长周期光纤光栅在光纤传感领域具有比光纤布拉格光栅传感器器件更多的优点和更加广 泛的应用。利用长周期光纤光栅具有体积小、能埋人工程材料的优点，可以实现对工程结构 的实时监测。2.5 光纤荧光温度传感器光纤荧光温度传感的原理是利用荧光材料的温度特性 （荧光寿命和荧光光强比）测温。利 用荧光寿命测温和荧光
