光纖傳感器的原理、分類、特點(diǎn)以及技術(shù)熱點(diǎn)和類型

　　光纖傳感器是利用光導(dǎo)纖維的傳光特性，把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光特性改變的傳感器。它是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(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、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號(hào)光，在經(jīng)過光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。

　　光纖傳感器不同,光纖傳感器將被測(cè)信號(hào)的狀態(tài)以光信號(hào)的形式取出。光信號(hào)不僅能被人所直接感知,利用半導(dǎo)體二極管如光電二極管等小型簡(jiǎn)單元件還可以進(jìn)行光電、電光轉(zhuǎn)換,極易與一些電子裝配相匹配,；另外光纖不僅是一種敏感元件,而且是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線。因此,光纖傳感器還可用于傳統(tǒng)的傳感器所不適用的遠(yuǎn)距離測(cè)量。

　　光纖傳感包含對(duì)外界信號(hào)(被測(cè)量)的感知和傳輸兩種功能。所謂感知，是指外界信號(hào)按照其變化規(guī)律使光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ奈锢硖卣鲄⒘?，如?qiáng)度(功率)、波長(zhǎng)、頻率、相位和偏振態(tài)等發(fā)生變化，測(cè)量光參量的變化即感知外界信號(hào)的變化。這種感知實(shí)質(zhì)上是外界信號(hào)對(duì)光纖中傳播的光波實(shí)施調(diào)制。所謂傳輸,是指光纖將受外界信號(hào)調(diào)制的光波傳輸?shù)焦馓綔y(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，將外界信號(hào)從光波中提取出來并按需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，也就是解調(diào)。

　　因此，光纖傳感技術(shù)包括調(diào)制與解調(diào)兩方面的技術(shù),即外界信號(hào)(被測(cè)量)如何調(diào)制光纖中的光波參量的調(diào)制技術(shù)(或加載技術(shù))及如何從已被調(diào)制的光波中提取外界信號(hào)(被測(cè)量)的解調(diào)技術(shù)(或檢測(cè)技術(shù))。

　　光纖傳感器的基本原理

　　光纖傳感器是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱，光纖的主要成份為二氧化硅，由折射較高的纖芯、折射率較低的包層及保護(hù)層組成。纖芯為直徑大約0.1 mm左右的細(xì)玻璃絲，把光封閉在其中并沿軸向進(jìn)行傳播的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。光纖傳感器的發(fā)現(xiàn)起源于探測(cè)光纖外部擾動(dòng)的實(shí)踐，在實(shí)踐中，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)光纖受到外界環(huán)境的變化時(shí)，會(huì)引起光纖內(nèi)部傳輸光波參數(shù)的變化，而這些變化與外界因素成一定規(guī)律，由此發(fā)展出光纖傳感技術(shù)。

　　光纖對(duì)許多外界參數(shù)有一定的敏感效應(yīng)。研究光纖傳感原理就是研究如何應(yīng)用光纖的這些效應(yīng)，研究光在調(diào)制區(qū)內(nèi)與外界被測(cè)參數(shù)的相互作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界被測(cè)參數(shù)的“傳"和“感"的功能，這是光纖傳感器的核心。

　　在光通信系統(tǒng)中，光纖被用作遠(yuǎn)距離傳輸光波信號(hào)的媒質(zhì)。顯然，在這類應(yīng)用中，光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)受外界干擾越小越。但是，在實(shí)際的光傳輸過程中，光纖易受外界環(huán)境因素影響，如溫度、壓力、電磁場(chǎng)等外界條件的變化，將引起光纖光波參數(shù)如光強(qiáng)、相位、頻率、偏振、波長(zhǎng)等的變化。因此，人們發(fā)現(xiàn)如果能測(cè)出光波參數(shù)的變化，就可以知道導(dǎo)致光波參數(shù)變化的各種物理量的大小，于是產(chǎn)生了光纖傳感技術(shù)。光纖傳感技術(shù)是用光纖對(duì)某些物理量的敏感特性，將外界物理量轉(zhuǎn)換成可以直接測(cè)量的信號(hào)的技術(shù)。由于光纖不僅可以作為光波的傳播媒質(zhì)，而且由于光波在光纖中傳播時(shí)表征光波的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等)因外界因素(如溫度、壓力、應(yīng)變、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、位移、轉(zhuǎn)動(dòng)等)的作用而直接或間接發(fā)生變化，從而也可將光纖用作傳感元件來探測(cè)各種物理量。

　　光纖傳感器的原理、分類、特點(diǎn)以及技術(shù)熱點(diǎn)和類型

　　上圖是光纖傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖。光纖傳感器通常由光源、傳輸光纖、傳感元件或調(diào)制區(qū)、光檢測(cè)等部分組成。光強(qiáng)、波長(zhǎng)、振幅、相位、偏振態(tài)和模式分布等參量在光纖傳輸中都可能會(huì)受外界影響而發(fā)生改變，特別如溫度、壓力、加速度、電壓、電流、位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、彎曲、應(yīng)變以及化學(xué)量和生物化學(xué)量等對(duì)光路產(chǎn)生影響時(shí)，都會(huì)使這些參量發(fā)生相應(yīng)變化。光纖傳感器就是根據(jù)這些參量隨外界因素的變化關(guān)系來檢測(cè)各相應(yīng)物理量的大小。

　　光纖傳感器的特點(diǎn)

　　與傳統(tǒng)的傳感器不同，光纖優(yōu)良的物理、化學(xué)、機(jī)械以及傳輸性能，使光纖傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、抗電磁干擾、防腐蝕、靈敏度很高、測(cè)量帶寬很寬、檢測(cè)電子設(shè)備與傳感器可以間隔很遠(yuǎn)等，并可以構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)。

　　先進(jìn)的光纖傳感器的靈敏度比傳統(tǒng)的傳感器高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，可以測(cè)量的物理量已達(dá)70多種。總結(jié)起來它具有一下幾個(gè)：

　　1、精度高，響應(yīng)速度快，線性特征范圍寬，使用的重復(fù)性，檢測(cè)信號(hào)的信噪比高，由于現(xiàn)在光纖的量產(chǎn)化，價(jià)格低廉，可以廣泛使用。

　　2、光纖是由電介質(zhì)材料石英制成，傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)，因此安全性、性，抗電磁干擾能力強(qiáng)，能適應(yīng)在電力、石油、化工、冶金等易燃易爆或有毒的環(huán)境條件下工作。

　　3、抗腐蝕，抗污染能力強(qiáng)，可用于溫差較大的地方，時(shí)間時(shí)間老化特性優(yōu)良，工作壽命長(zhǎng)。

　　4、體積小，重量輕，容易安裝，對(duì)被測(cè)對(duì)象環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。

　　5、光纖是無源器件，自身獨(dú)立性，不會(huì)破壞被測(cè)量的狀態(tài)。

　　6、測(cè)量對(duì)象廣泛。目前已有性能不同的多種測(cè)量溫度、壓力、位移、速度、液面、核輻射等各種物理量、化學(xué)量、生物量等的光纖傳感器。

　　7、便于多點(diǎn)復(fù)用、傳輸損耗小，適合于組成測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)實(shí)時(shí)智能化的遙測(cè)。