光纖傳感器測(cè)量原理及優(yōu)點(diǎn)

一、什么是光纖？

光纖是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為光傳導(dǎo)工具。光纖是由兩層折射率不同的玻璃組成。內(nèi)層為光內(nèi)芯，直徑在幾微米至幾十微米，外層的直徑0.1～0.2mm。一般內(nèi)芯玻璃的折射率比外層玻璃大1%。根據(jù)光的折射和全反射原理,當(dāng)光線(xiàn)射到內(nèi)芯和外層界面的角度大于產(chǎn)生全反射的臨界角時(shí)，光線(xiàn)透不過(guò)界面，全部反射。

二、 光纖結(jié)構(gòu)

(1) 纖芯（核心）

攜帶光信號(hào)

硅石和摻雜劑，塑料光纖（POF）使用聚合物

單模光纖為9μm，多模光纖為50或62.5μm，POF為1mm

(2) 包層

保持核心部分的光照

純硅或聚合物

(3) 涂覆層

保護(hù)裸露的光纖

丙烯酸酯（聚合物）或聚酰亞胺（用于高溫）

三、 光纖模式

從技術(shù)層面上講，模式是光纖的穩(wěn)定傳播狀態(tài)。深入研究傳輸模式理論，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這是一種由光的波動(dòng)性質(zhì)引起的效應(yīng)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，可以認(rèn)為，一個(gè)模式是一條光線(xiàn)，或光纖中的路徑

按傳輸模式分為多模光纖和單模光纖，多模光纖按照折射率分布又可分為階躍型和漸變型，階躍型光纖一般較漸變型光纖的帶寬低。

（1）階躍型折射率多模光纖

?短距離鏈路，<100m

? 10-100 Mb/s

? POF(1mm)或HCS(200/230)

光纖的纖芯折射率高于包層折射率，使得輸入的光能在纖芯一包層交界面上不斷產(chǎn)生全反射而前進(jìn)。這種光纖纖芯的折射率是均勻的，包層的折射率稍低一些。光纖中心芯到玻璃包層的折射率是突變的，只有一個(gè)臺(tái)階。

（2）漸變型折射率多模光纖

?中短距離鏈路，10m-2000m

? 100 Mbs-10Gb/s?

? 50/125(OM2)或62.5/125(OM1/OM3)

又名梯度型折射率多模光纖，光纖折射率中心最高，沿徑向遞減，光束在光纖中傳播，可以自動(dòng)聚焦而不發(fā)生色散。多模漸變折射率光纖纖芯中的折射率是連續(xù)變化的，它隨纖芯半徑r的增加按一定的規(guī)律減小。由于纖芯的折射率不均勻，光射線(xiàn)的軌跡不再是直線(xiàn)而是曲線(xiàn)。

(3) 單模光纖

?長(zhǎng)距離鏈路，1000m-100km

? 2.5/10/40/100 Gb/s

? 9/125

中心玻璃芯很細(xì)(芯徑一般為9或10μm)，只存在一種傳輸模式。單模光纖的傳輸損耗、傳輸色散都比較小。傳輸損耗小可以使得信號(hào)在光纖中傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)一些，可支持超過(guò)5000m的傳輸距離。并且傳輸色散小有利于高速大容量的數(shù)據(jù)的傳輸，因此大容量的通信系統(tǒng)多數(shù)使用單模光纖。

四、 光纖的優(yōu)勢(shì)

(1)光纖傳感器測(cè)量原理

將來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，稱(chēng)為被調(diào)制的信號(hào)光，再利用被測(cè)量對(duì)光的傳輸特性施加的影響，完成測(cè)量。

(2)光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的各類(lèi)傳感器相比，光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)，具有光纖及光學(xué)測(cè)量的特點(diǎn)，有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

傳感器端無(wú)需供電，是無(wú)源器件；

電絕緣性能好，抗高電磁干擾能力強(qiáng)；

高靈敏度，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控；

耐腐蝕，防爆，本質(zhì)安全，各種惡劣或易燃易爆危險(xiǎn)環(huán)境下可用；

光路有可撓曲性，便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)接；

傳輸損耗小，傳輸容量大；

可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控監(jiān)測(cè)和多點(diǎn)分布式測(cè)量，且測(cè)量速度快；

Micronor 傳感器系統(tǒng)

五、 聚焦-Micronor公司的光纖傳感器

Micronor Sensors 是傳感領(lǐng)域的專(zhuān)家，在光纖和機(jī)電傳感器技術(shù)方面擁有廣泛的專(zhuān)業(yè)背景。創(chuàng)新和深厚的光纖技術(shù)領(lǐng)域的知識(shí)使 Micronor 能夠應(yīng)對(duì)溫度、應(yīng)變、位置測(cè)量解決方案中的挑戰(zhàn)，這些解決方案即使在惡劣的環(huán)境中也能可靠地工作。他們的光纖傳感器多應(yīng)用于鐵路（振動(dòng)監(jiān)控、定位）、礦業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、風(fēng)電行業(yè)、石油石化行業(yè)等，其主要產(chǎn)品包括：

(1) 多軸光纖加速度計(jì)

用于測(cè)量高壓環(huán)境或潛在爆炸性環(huán)境中的振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)。典型應(yīng)用包括受電弓監(jiān)測(cè)、風(fēng)力渦輪機(jī)葉片、MRI、變壓器、發(fā)電機(jī)、采礦以及石油和天然氣。

(2) 多點(diǎn)溫度測(cè)量

溫度測(cè)定基于"拉曼效應(yīng)"，從而確定沿玻璃纖維的溫度分布。通過(guò)使用極短的光脈沖，可實(shí)現(xiàn)約100mm的空間分辨率，測(cè)量光纖的最大長(zhǎng)度為250m。

(3) 光纖位置傳感器

包含光纖增量編碼器(常用于檢測(cè)電機(jī)軸或線(xiàn)性驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)和速度)；光纖絕對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器（用于確定軸位置）；線(xiàn)性傳感器（以高分辨率記錄幾米的純被動(dòng)線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)）。

(4)光纖信號(hào)設(shè)備

包括光纖微動(dòng)開(kāi)關(guān)、緊急停止開(kāi)關(guān)。在大電流附近進(jìn)行安全信號(hào)檢測(cè),，旨在滿(mǎn)足 MRI、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用的挑戰(zhàn)性要求。

審核編輯：湯梓紅