常用的五類光纖傳感器基本原理解析

根據(jù)被調(diào)制的光波的性質(zhì)參數(shù)不同，這兩類光纖傳感器都可再分為強度調(diào)制光纖傳感器、相位調(diào)制光纖傳感器、頻率調(diào)制光纖傳感器、偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器和波長調(diào)制光纖傳感器。

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1）?? 強度調(diào)制型光纖傳感器

基本原理是待測物理量引起光纖中傳輸光光強的變化，通過檢測光強的變化實現(xiàn)對待測量的測量。恒定光源發(fā)出的強度為I的光注入傳感頭，在傳感頭內(nèi)，光在被測信號的作用下其強度發(fā)生了變化，即受到了外場的調(diào)制，使得輸出光強的包絡線與被測信號的形狀一樣，光電探測器測出的輸出電流也作同樣的調(diào)制，信號處理電路再檢測出調(diào)制信號，就得到了被測信號。

這類傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、容易實現(xiàn)，因此開發(fā)應用的比較早，現(xiàn)在已經(jīng)成功的應用在位移、壓力、表面粗糙度、加速度、間隙、力、液位、振動、輻射等的測量。強度調(diào)制的方式很多，大致可分為反射式強度調(diào)制、透射式強度調(diào)制、光模式強度調(diào)制以及折射率和吸收系數(shù)強度調(diào)制等等。一般反射式強度調(diào)制、透射式強度調(diào)制、折射率強度調(diào)制稱為外調(diào)制式，光模式稱為內(nèi)調(diào)制式。但是由于原理的限制，它易受光源波動和連接器損耗變化等的影響，因此這種傳感器只能用于干擾源較小的場合。

2）?? 相位調(diào)制型光纖傳感器

基本原理是：在被測能量場的作用下，光纖內(nèi)的光波的相位發(fā)生變化，再用干涉測量技術(shù)將相位的變化轉(zhuǎn)換成光強的變化，從而檢測到待測的物理量。相位調(diào)制型光纖傳感器的優(yōu)點是具有極高的靈敏度，動態(tài)測量范圍大，同時響應速度也快，其缺點是對光源要求比較高同時對檢測系統(tǒng)的精密度要求也比較高，因此成本相應較高。

目前主要的應用領(lǐng)域為：利用光彈效應的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器；利用賽格納克效應的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器(光纖陀螺)等。

3）?? 頻率調(diào)制型光纖傳感器

基本原理是利用運動物體反射或散射光的多普勒頻移效應來檢測其運動速度，即光頻率與光接收器和光源間運動狀態(tài)有關(guān)。當它們相對靜止時，接收到光的振蕩頻率；當它們之間有相對運動時，接收到的光頻率與其振蕩頻率發(fā)生頻移，頻移大小與相對運動速度大小和方向有關(guān)。

因此，這種傳感器多用于測量物體運動速度。頻率調(diào)制還有一些其他方法，如某些材料的吸收和熒光現(xiàn)象隨外界參量也發(fā)生頻率變化，以及量子相互作用產(chǎn)生的布里淵和拉曼散射也是一種頻率調(diào)制現(xiàn)象。其主要應用是測量流體流動，其它還有利用物質(zhì)受強光照射時的拉曼散射構(gòu)成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器；利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。

4）?? 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器

基本原理是利用光的偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象信息。

光波是一種橫波，它的光矢量是與傳播方向垂直的。如果光波的光矢量方向始終不變，只是它的大小隨相位改變，這樣的光稱為是線偏振光。光矢量與光的傳播方向組成的平面為線偏振光的振動面。如果光矢量的大小保持不變，而它的方向繞傳播方向均勻的轉(zhuǎn)動，光矢量末端的軌跡是一個圓，這樣的光稱為圓偏振光。如果光矢量的大小和方向都在有規(guī)律的變化，且光矢量的末端沿一個橢圓轉(zhuǎn)動，這樣的光稱為橢圓偏振光。

利用光波的偏振性質(zhì)，可以制成偏振調(diào)制光纖傳感器。在許多光纖系統(tǒng)中，尤其是包含單模光纖的那些系統(tǒng)，偏振起著重要的作用。許多物理效應都會影響或改變光的偏振狀態(tài)，有些效應可引起雙折射現(xiàn)象。所謂雙折射現(xiàn)象就是對于光學性質(zhì)隨方向而異的一些晶體，一束入射光常分解為兩束折射光的現(xiàn)象。光通過雙折射媒質(zhì)的相位延遲是輸入光偏振狀態(tài)的函數(shù)。

偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器檢測靈敏度高，可避免光源強度變化的影響，而且相對相位調(diào)制光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡單、且調(diào)整方便。其主要應用領(lǐng)域為：利用法拉第效應的電流、磁場傳感器；利用泡爾效應的電場、電壓傳感器；利用光彈效應的壓力、振動或聲傳感器；利用雙折射性的溫度、壓力、振動傳感器。目前最主要的還是用于監(jiān)測強電流。

5）波長調(diào)制型光纖傳感器

傳統(tǒng)的波長調(diào)制型光纖傳感器是利用傳感探頭的光譜特性隨外界物理量變化的性質(zhì)來實現(xiàn)的。

此類傳感器多為非功能型傳感器。在波長調(diào)制的光纖探頭中，光纖只是簡單的作為導光用，即把入射光送往測量區(qū)，而將返回的調(diào)制光送往分析器。光纖波長探測技術(shù)的關(guān)鍵是光源和頻譜分析器的良好性能，這對于傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性和分辨率起著決定性的影響。

光光纖波長調(diào)制技術(shù)主要應用于醫(yī)學、化學等領(lǐng)域。例如，對人體血氣的分析、PH值檢測、指示劑溶液濃度的化學分析、磷光和熒光現(xiàn)象分析、黑體輻射分析和法布里一珀羅濾光器等。而目前所稱的波長調(diào)制型光纖傳感器主要是指光纖布拉格光柵傳感器（FBG）。

最后給大家介紹工采網(wǎng)從國外進口的三款功能各樣的光纖傳感器，首先是光纖溫度傳感器 - FOT-L-SD，這是一類非常適合在極端環(huán)境下測量溫度的光纖溫度傳感器，這種極端環(huán)境包括低溫、核環(huán)境、微波和高強度的RF等。FOT-L集所有您期望從理想傳感器器身獲取的優(yōu)良特性于一體。因此，即使在極端溫度和不利的環(huán)境下，這類傳感器依然能夠提供高精度和可靠的溫度測量。

再來是光纖壓力傳感器 - FOP-M，F(xiàn)OP-M是專門為宇航和國防的高溫領(lǐng)域而設計。FOP-M可以承受150℃ (302°F)的高溫。與大多數(shù)的傳統(tǒng)壓力傳感器設計不同，F(xiàn)OP-M采用獨特的硅晶體振動膜的偏轉(zhuǎn)設計。FOP-M是苛刻環(huán)境壓力測量最好的選擇。傳感器完全不受電磁和射頻干擾，內(nèi)在可靠性適用于危險和高溫環(huán)境。

最后是光纖折射率傳感器 - FRI，是一款獨特的傳感器設計基于沖液Fabry-Perot光學腔體的長度變化，以精確測定流體的折射率。沖液Fabry-Perot光學腔體的長度與流體樣品的折射率呈正比。因此，采用白光干涉技術(shù)測量Fabry-Perot腔體長度，即可測定折射率。即使在惡劣的溫度、EMI、濕度環(huán)境和多變的簡易標定情況下，光纖信號調(diào)理器依然具備測量折射率的能力。FRI光纖折射率傳感器為業(yè)內(nèi)現(xiàn)有應用提供了更好更可靠的折射率測量，同時，該傳感器也具備惡劣條件下持續(xù)在線監(jiān)控流體折射率的新擴展能力。