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。

　?。?）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。

　?。?）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。

　?。?）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）?？梢院敛豢鋸埖恼f，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。