發布日期：2022-10-09 點擊率：78
光纖傳感器
光纖傳感器是一種將被測對象的狀態轉變為可測的光信號的傳感器。光纖傳感器的工作原理是將光源入射的光束經由光纖送入調制器，在調制器內與外界被測參數的相互作用， 使光的光學性質如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等發生變化，成為被調制的光信號，再經過光纖送入光電器件、經解調器后獲得被測參數。整個過程中，光束經由光纖導入，通過調制器后再射出，其中光纖的作用首先是傳輸光束，其次是起到光調制器的作用。
光纖傳感器的優點
1、電絕緣性能好，安全可靠：光纖本身是由電介質構成的，適宜于在易燃易爆的油、氣、化工生產中使用。
2、抗電磁干擾：一般電磁輻射的頻率比光波低許多，所以在光纖中傳輸的光信號不受電磁干擾的影響。
3、體積小、重量輕，幾何形狀可塑。
4、傳輸損耗小，傳輸容量大：可實現遠距離遙控監測和多點分布式測量。
5、耐腐蝕，化學性能穩定：由于制作光纖的材料——石英具有極高的化學穩定性，因此光纖傳感器適宜于在較惡劣環境中使用。
6、傳感器端無需供電，是無源器件，將傳輸與傳感集合到一體。
光纖傳感器對比傳統傳感器的優點
（1）靈敏度高
由于光是一種波長極短的電磁波，通過光的相位便得到其光學長度。以光纖干涉儀為例，由于所使用的光纖直徑很小，受到微小的機械外力的作用或溫度變化時其光學長度要發生變化，從而引起較大的相位變化。假設用10米的光纖，l℃的變化引起1000ard的相位變化，若能夠檢測出的最小相位變化為0.01ard，那么所能測出的最小溫度變化為l0℃，可見其靈敏度之高。
（2）抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質安全由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖又是電絕緣、耐腐蝕的傳輸媒質，并且安全可靠，這使它可以方便有效地用于各種大型機電、石油化工、礦井等強電磁干擾和易燃易爆等惡劣環境中。
（3）測量速度快
光的傳播速度最快且能傳送二維信息，因此可用于高速測量。對雷達等信號的分析要求具有極高的檢測速率，應用電子學的方法難以實現，利用光的衍射現象的高速頻譜分析便可解決。
（4）信息容量大
被測信號以光波為載體，而光的頻率極高，所容納的頻帶很寬，同一根光纖可以傳輸多路信號。
（5）適用于惡劣環境
光纖是一種電介質，耐高壓、耐腐蝕、抗電磁干擾，可用于其它傳感器所不適應的惡劣環境中。
光纖傳感器的分類
1、位調制型光纖傳感器
基本原理是：在被測能量場的作用下，光纖內的光波的相位發生變化，再用干涉測量技術將相位的變化轉換成光強的變化，從而檢測到待測的物理量。相位調制型光纖傳感器的優點是具有極高的靈敏度，動態測量范圍大，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角速度傳感器（光纖陀螺）等。
2、度調制型光纖傳感器
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對待測量的測量。一恒定光源發出的一定強度的激光注入傳感頭，在傳感頭內，光在被測信號的作用下其強度發生了變化，即受到了外場的調制，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制，信號處理電路再檢測出調制信號，就得到了被測信號。這類傳感器的優點是結構簡單、成本低、容易實現，因此開發應用的比較早，現在已經成功的應用在位移、壓力、表面粗糙度、加速度、間隙、力、液位、振動、輻射等的測量。強度調制的方式很多，大致可分為反射式強度調制、透射式強度調制、光模式強度調制以及折射率和吸收系數強度調制等等。一般反射式強度調制、透射式強度調制、折射率強度調制稱為外調制式，光模式稱為內調制式。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。
3、振態調制型光纖傳感器
基本原理是利用光的偏振態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律的變化，且光矢量的末端沿一個橢圓轉動，這樣的光稱為橢圓偏振光。利用光波的偏振性質，可以制成偏振調制光纖傳感器。在許多光纖系統中，尤其是包含單模光纖的那些系統，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，有些效應可引起雙折射現象。所謂雙折射現象就是對于光學性質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象。光通過雙折射媒質的相位延遲是輸入光偏振狀態的函數。偏振態調制光纖傳感器檢測靈敏度高，可避免光源強度變化的影響，而且相對相位調制光纖傳感器結構簡單、且調整方便。其主要應用領域為：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測強電流。
4、長調制型光纖傳感器
傳統的波長調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來實現的。此類傳感器多為非功能型傳感器。在波長調制的光纖探頭中，光纖只是簡單的作為導光用，即把入射光送往測量區，而將返回的調制光送往分析器。光纖波長探測技術的關鍵是光源和頻譜分析器的良好性能，這對于傳感系統的穩定性和分辨率起著決定性的影響。光光纖波長調制技術主要應用于醫學、化學等領域。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制型光纖傳感器主要是指光纖布拉格光柵傳感器（FBG）。可以毫不夸張的說，正是有了光纖光柵傳感器，光纖傳感器才真正開始從實驗室鄒向大規模的工程應用。
5、率調制型光纖傳感器
其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有關。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生頻移，頻移大小與相對運動速度大小和方向有關。因此，這種傳感器多用于測量物體運動速度。頻率調制還有一些其他方法，如某些材料的吸收和熒光現象隨外界參量也發生頻率變化，以及量子相互作用產生的布里淵和拉曼散射也是一種頻率調制現象。其主要應用是測量流體流動，其它還有利用物質受強光照射時的拉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;利用光致發光的溫度傳感器等。
光纖傳感器（Optical Fiber Transducer）就是利用光導纖維的傳光特性，把被測量轉換為光特性(強度、相位、偏振態、頻率、波長)改變的傳感器。
隨著社會工業化的不斷發展及傳感器行業的不斷進步，光纖傳感器已經逐漸被應用于工業生產當中。下面我們就光纖傳感器的具體分類及優缺點加以分析。
光纖傳感器可以分為兩類：作用型(傳感型)傳感器、非作用型(傳光型)傳感器。下面我們分別介紹兩種光纖傳感器的優缺點。
1、作用型傳感器
作用型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件, 被測量對光纖內傳輸的光進行調制, 使傳輸的光的強度、相位、頻率或偏振態等特性發生變化, 再通過對被調制過的信號進行解調,從而得出被測信號。光纖在其中不僅是導光媒質，而且也是敏感元件，光在光纖內受被測量調制，多采用多模光纖。
優點：結構緊湊、靈敏度高
缺點：須用特殊光纖，成本高
典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。
2、非作用型傳感器
非作用型傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化, 光纖僅作為信息的傳輸介質，常采用單模光纖。光纖在其中僅起導光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測量調制。
優點：無需特殊光纖及其他特殊技術，比較容易實現，成本低。
缺點：靈敏度較低。
實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。
通過以上關于光纖傳感器優缺點的分析，希望對大家工作、學習有所幫助。
傳感技術是當今世界發展最為迅速的高新技術之一。新型傳感器不僅追求高
精度、大量程、高可靠、低功耗和微型化，并且向著集成化、多功能、智能化和網絡化的
方向發展，以滿足工業、農業、國防和科研等各個領域的需求。光纖傳感技術是
20
世紀
70
年代隨著光纖技術和光通信技術的發展而迅速發展起來的。
它代表了新一代傳感技術的
發展趨勢。光纖傳感器的產業已被國內外公認為最具有發展前途的高新技術產業之一，
它
以技術含量高、經濟效益好、滲透能力強、市場前景廣等特點為世人所矚目。
光纖最早的出現的目的是用于傳輸光，
在
20
世紀
70
年代初生產出低損耗光纖后，光纖用
于長距離傳遞信息，
是光纖通信的基石，
也可以豪不夸張的說光纖也是現代信息社會的基
石。由于光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質，而且光波在光纖中傳播的特征參量（振幅、
相位、偏振態、波長等）會因外界因素（如溫度、壓力、應變、振動、聲音、磁場、折射
率、扭曲、等）的作用而間接或直接地發生變化，分析這些變化就可以得到外界作用的某
些性質，從而可將光纖用作傳感器元件來探測各種物理量、化學量和生物量，這就是光纖
傳感器的基本原理。
光纖傳感器的基本結構由光源、
傳輸光纖和光檢測部分組成。
考慮到光纖傳輸已經很簡單，
通常一套完整的光纖傳感器主要由傳感器和解調儀構成。光源發出的光耦合進光纖，經光
纖進入調制區；在調制區內外界被測參數作用于進入調制區內的光信號，使其光學性質如
光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等發生變化成為被調制的信號光：再經過光纖送入
光檢測器，光檢測器對進來的光信號進行光電轉換，輸出電信號；最后對電信號進行信號
處理而得到可用信號，從而獲得被測參數。
光纖傳感器的組成結構光纖傳感器網的三種基本構成
光纖傳感器網有三種基本構成，其中一個叫單點式傳感器。
一根光纖在這里僅僅起到傳輸
的作用，另外一種叫多點式傳感器，在這里一根光纖把很多傳感器串起來，這樣很多傳感
光纖傳感器根據其利用的不同原理，主要可以分為四種，每種傳感器都有自身的特性和優缺點，利用這些不同原理的光纖傳感器，可以用來測量不同的參數。
1、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、吸收或反射等參數的變化，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化學、機械的激勵而發光的現象;以及物質的熒光輻射或光路的遮斷等來構成壓力、振動、溫度、位移、氣體等各種強度調制型光纖傳感器。
優點：結構簡單、容易實現，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 。
2、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電流、磁場傳感器;利用光在電場中的壓電晶體內傳播的泡爾效應做成的電場、電壓傳感器;利用物質的光彈效應構成的壓力、振動或聲傳感器;以及利用光纖的雙折射性構成溫度傳感器、壓力傳感器、振動傳感器等。
優點：可以避免光源強度變化的影響，因此靈敏度高。
缺點：不容易實現
3、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。
優點：容易實現，成本低
缺點：靈敏度低
4、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，使敏感元件的折射率或傳播常數發生變化，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、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克(Sagnac)效應的旋轉角速度傳感器(光纖陀螺)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，因此成本高。
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