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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

　　以電為基礎的傳統傳感器是一種把測量的狀態轉變為可測的電信號的裝置。它的電源、信號接收、敏感元件和處理系統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轉變為可測的光信號的裝置。由敏感元件、光發送器、信號處理系統、光接收器以及光纖構成，見圖(b)。


　　由光發送器發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，使光信號變為電信號，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、偏振態和強度等參量之一隨被測量狀態的變化而變化，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、

　　（1）根據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、相位等)的變化來實現“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續的。由于光纖連續，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。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，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、反射或吸收等參數的變化，而導致光強度變化來實現敏感測量的傳感器。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、化學的激勵而發光的現象；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。
優點：容易實現、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或折射率發生變化，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，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 光的頻率發生變化來進行監測的傳感器。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測大氣污染的氣體傳感器；以及利用光致發光的溫度傳感器等。