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光纖傳感器結構原理及分類

2010-11-23 16:40:38

1、光纖傳感器結構原理

　　以電為基礎的傳統(tǒng)傳感器是一種把測量的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y的電信號的裝置。它的電源、信號接收、敏感元件和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導線連接，見圖(a)。光纖傳感器則是一種把被測量的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。由敏感元件、光發(fā)送器、信號處理系統(tǒng)、光接收器以及光纖構成，見圖(b)。


　　由光發(fā)送器發(fā)出的光經源光纖引導至敏感元件。這時，光的某一性質受到被測量的調制，已調光經接收光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后經信號處理得到所期待的被測量。

　　可見, 以電為基礎的傳統(tǒng)傳感器與光纖傳感器相比較，在測量原理上有本質的差別。傳統(tǒng)傳感器是以機—電測量為基礎，而光纖傳感器則以光學測量為基礎。

　　光是一種電磁波，其波長從極遠紅外的lmm到極遠紫外線的10nm。它的生物化學作用和物理作用主要因其中的電場而引起。因此，討論光的敏感測量必須考慮光的電矢量E的振動，即


　　A——電場E的振幅矢量；ω——光波的振動頻率；
　　φ——光相位；t——光的傳播時間。
　　可見，比一比光的相位、頻率、偏振態(tài)和強度等參量之一隨被測量狀態(tài)的變化而變化，或受被測量調制，那么，通過對光的偏振調制、強度調制、相位調制或頻率調制等進行解調，獲得所需要的被測量的信息。 

 　　2、光纖傳感器的分類



注：MM多模；SM單模；PM偏振保持；a,b,c功能型、拾光型 非功能型、

　?。?/FONT>1）根據(jù)光纖在傳感器中的作用
　　光纖傳感器分為功能型、拾光型和非功能型三大類。

　　1）功能型（全光纖型）光纖傳感器
　 　利用對外界信息具有檢測能力的光纖和 敏感能力作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界 因素(相變、彎曲)的作用下，其光學特性(光強、偏振態(tài)、相位等)的變化來實現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長度，可提高靈敏度。 


　　2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器
光纖僅起導光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“感覺”功能依靠其他物理性質的功能元件完成。光纖不連續(xù)。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術，比較容易實現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對靈敏度要求不太高的場合。

　　3）拾光型光纖傳感器
用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其散射、反射的光。其典型例子如輻射式光纖溫度傳感器、光纖激光多普勒速度計等。  

（2）根據(jù)光受被測對象的調制形式

　　形式：頻率調制、相位調制、 強度調制型、偏振調制。

　1）偏振調制光纖傳感器

　 　是一種利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測對象信息的傳感器。有利用光在磁場中媒質內傳播的法拉第效應做成的磁場傳感器、電流；利用光在電場中的壓電晶體內傳播 的泡爾效應做成的電壓傳感器、電場；的光彈效應構成的壓力、聲傳感器或振動；以及利用光纖的雙折射性構成壓力、振動、溫度等傳感器。這類傳感器可以避免光源強度變化的影啊，因此靈敏度高。

　　2）強度調制型光纖傳感器

　 　是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、反射或吸收等參數(shù)的變化，而導致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。有利用光纖的微彎損耗；各物質的吸收特性；振動膜或液晶的反射光 強度的變化；物質因各種粒子射線或機械、化學的激勵而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物質的光路的遮斷或熒光輻射等來構成壓力、溫 度、振動、氣體、位移等各種強度調制型光纖傳感器。
優(yōu)點：容易實現(xiàn)、結構簡單、成本低。

　　缺點：受光源強度波動和連接器損耗變化等影響較大 。

　3）相位調制傳感器 

　 　其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的傳播常數(shù)或折射率發(fā)生變化，而導致光的相位變化，使兩束單色光所產生的干涉條紋發(fā)生變化，通過 檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。通常有利用光彈效應的壓力、聲或振動傳感器；利用磁致磁場傳感器、伸縮效應的電流；利用電致伸縮的電壓傳感器、電場以及利用光纖賽格納克（Sagnac）效應的旋轉角速度傳感器等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光 纖及高精度檢測系統(tǒng)，因此成本很高。 
　

　4）頻率調制光纖傳感器

　　是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的 光的頻率發(fā)生變化來進行監(jiān)測的傳感器。有利用運動物體反射光和散射光的多普勒效應的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器；利用物質受強光照射時的喇曼散射構成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器；以及利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。