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(diǎn),因而具有廣泛的應(yīng)用前景。目前已有測(cè)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(qiáng)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(diǎn)。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(dǎo)光波的。當(dāng)光波在光纖中傳輸時(shí),表征光波的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等),會(huì)由于被測(cè)參量(溫度、壓力、加速度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等)對(duì)光纖的作用而發(fā)生變化,從而引起光波的強(qiáng)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(hào)光,再經(jīng)過光探測(cè)器和解調(diào)器從而獲得被測(cè)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(duì)被測(cè)信號(hào)兼有敏感和傳輸?shù)淖饔?即它具有傳與感合一的特點(diǎn)。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(duì)被測(cè)信號(hào)的感覺則是利用其他光學(xué)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(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長(zhǎng)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(diǎn)。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(cè)量的變化引起光纖中的光強(qiáng)發(fā)生變化的光纖傳感器。能夠引起光纖中光強(qiáng)發(fā)生變化的因素有:改變光纖的微彎狀態(tài),改變光纖對(duì)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(gè)因素制成的光強(qiáng)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(cè)包層和光纖學(xué)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(shí),一部分芯模能量會(huì)轉(zhuǎn)化為包層模式能量這一原理,通過測(cè)包層模式能量的變化來測(cè)量位移。例如:利用這一原理制成的光纖報(bào)警器,其基本原理是光纖呈彎曲狀織于地毯中,當(dāng)有人站在地毯上時(shí),地毯彎曲狀加劇,引起光纖光強(qiáng)變化,產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。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(shí)驗(yàn)確定。2.1.2光纖輻射傳感器X射線和γ射線會(huì)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(cè)。與此類似的還有光纖紫外光傳感器。紫外光照射會(huì)使光纖激發(fā)熒光,由熒光強(qiáng)弱探測(cè)紫外光強(qiáng)。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(qiáng)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(dāng)被測(cè)參量(折射率、濃度、溫度等)發(fā)生變化時(shí),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(qiáng)下降。由此原理可制成光纖液體濃度傳感器,光纖折射率計(jì)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(cè)參量對(duì)光學(xué)敏感元件的作用,使敏感元件的折射率、傳感常數(shù)或光強(qiáng)發(fā)生變化,從而使光的相位隨被測(cè)參量而變,然后用干涉儀進(jìn)行解調(diào),即可得到被測(cè)參量的信息。用以上原理制成的光纖干涉儀可測(cè)量地震波、水壓(包括水聲)、溫度、加速度、電流、磁場(chǎng)等,并可檢測(cè)液體、氣體的成分。這類光纖傳感器的靈敏度很高,傳感對(duì)象廣泛(只要能對(duì)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(duì)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(duì)被測(cè)物理量進(jìn)行“增敏”,對(duì)非被測(cè)物理量進(jìn)行“去敏”,需對(duì)單模光纖進(jìn)行特殊處理,以滿足測(cè)量不同物理量的要求。圖3是Michelson光纖干涉儀,它利用一個(gè)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(cè)參量的變化可直接引起干涉儀中傳感臂光纖的長(zhǎng)度L(對(duì)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(duì)光纖引起的壓力變化來測(cè)量弱磁場(chǎng)或弱電場(chǎng)。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(cè)量電流。2.3求激光導(dǎo)線中電流被測(cè)參量可使光纖中光波的偏振態(tài)發(fā)生變化,檢測(cè)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(cè)量大電流用的光纖電流傳感器?；驹硎抢霉饫w材料的法拉第效應(yīng),即光纖處于磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)使光纖中光波的偏振面旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)角θ與磁場(chǎng)強(qiáng)度H、磁場(chǎng)中光纖的長(zhǎng)度L滿足:θ=KHL,K為光纖材料系數(shù)。由長(zhǎng)直載流導(dǎo)線在周圍空間產(chǎn)生的磁場(chǎng)H=I/2πR(R是光纖與載流導(dǎo)線間的垂直距離),則θ=KLI/2πR只要測(cè)出θ,L,R即可求出導(dǎo)線中的電流。圖4為其原理圖。這種測(cè)電流的方法測(cè)量范圍大、靈敏度高、與高壓線無接觸,使輸入輸出端實(shí)現(xiàn)了電絕緣。但是目前實(shí)際測(cè)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(huì)產(chǎn)生雙折射效應(yīng),從而引起測(cè)量誤差。3光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)。(1)rad的相位差例如目前用的Mach-Zehnder光纖干涉儀能檢測(cè)0.1μrad的相位差,若光源的波長(zhǎng)為1μm,相當(dāng)于10-14m光程差。即采用干涉型光纖傳感器可測(cè)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(chǎng)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(xué)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(xué)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(xué)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