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光纖傳感器

通過光導(dǎo)纖維把輸入變量轉(zhuǎn)換成調(diào)制的光信號的傳感器。光纖傳感器的測量原理有兩種:一種是被測參數(shù)引起光導(dǎo)纖維本身傳輸特性變化,即改變光導(dǎo)纖維環(huán)境如應(yīng)變、壓力、溫度等,從而改變光導(dǎo)纖維中光傳播的相位和強度,這時測量通過光導(dǎo)纖維的光相位或光強度變化,就可知道被測參數(shù)的變化;另一種是以激光器或發(fā)光二極管為光源,用光導(dǎo)纖維作為光傳輸通道,把光信號載送入或載送出敏感元件,再與其他相應(yīng)敏感元件配合而構(gòu)成傳感器。前者屬于物性型傳感器,后者屬于結(jié)構(gòu)型傳感器。這兩種傳感器在自動測量系統(tǒng)中都有應(yīng)用。

概述

近年來,傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中,光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能,例如:抗電磁干擾和原子輻射的性能,徑細、質(zhì)軟、重量輕的機械性能;絕緣、無感應(yīng)的電氣性能;耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等,它能夠在人達不到的地方(如高溫區(qū)),或者對人有害的地區(qū)(如核輻射區(qū)),起到人的耳目的作用,而且還能超越人的生理界限,接收人的感官所感受不到的外界信息。

光纖傳感器工作原理

光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器,使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后,導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)(如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等)發(fā)生變化,稱為被調(diào)制的信號光,在經(jīng)過光纖送入光探測器,經(jīng)解調(diào)后,獲得被測參數(shù)。

優(yōu)點

一、靈敏度較高;

二、幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性,可以制成任意形狀的光纖傳感器;
 

三、可以制造傳感各種不同物理信息(聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等)的器件;
 

四、可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境;
 

五、而且具有與光纖遙測技術(shù)的內(nèi)在相容性。

應(yīng)用

光纖傳感器應(yīng)用:磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測量。

分類

① 傳光型光纖傳感器 以多模光導(dǎo)纖維來傳輸光信號,根據(jù)光接受強度不同進行測量,而對被測參數(shù)起檢測作用的是其他敏感元件。這種傳感器多用于工業(yè)檢測液位、壓力、形變、溫度、流速、電流、磁場等。它的優(yōu)點是性能穩(wěn)定可靠,結(jié)構(gòu)簡單,造價低廉,缺點是靈敏度低。圖1[ 光纖液位傳感器]為光纖液位傳感器的原理示意圖。

② 光強調(diào)制型光纖傳感器 在壓力作用下光纖產(chǎn)生微彎變形導(dǎo)致光強度變化,從而引起光纖傳輸損耗的改變,并由吸收、發(fā)射或折射率變化來調(diào)制發(fā)射光,可制成微彎效應(yīng)的光纖壓力傳感器(圖2[ 微彎效應(yīng)光纖壓力傳感器])。由于齒板的作用,在沿光纖光軸的垂直方向上加有壓力時,光纖產(chǎn)生微彎變形,光波導(dǎo)方式改變,傳輸損耗增加。這種傳感器具有較高的靈敏度。此外,利用光學(xué)編碼盤配合光纖可制成數(shù)字式光纖壓力傳感器。
 

③ 偏振調(diào)制型光纖傳感器 單模光導(dǎo)纖維的偏振特性極易受到外界各種物理量的影響,如在高電場下的克爾效應(yīng)和在強磁場下的法拉第效應(yīng),利用這一原理可制成大電流、高電壓測試傳感器(圖3[ 偏振光面變化檢測原理圖])

④ 相位調(diào)制型光纖傳感器 用單模光導(dǎo)纖維構(gòu)成干涉儀,外界各種物理量的影響因素能導(dǎo)致光導(dǎo)纖維中光程的變化,從而引起干涉條紋的變動。圖4[ 干涉儀式光纖溫度傳感器]

光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù),可以用來測量多種物理量,比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等,還可以完成現(xiàn)有測量技術(shù)難以完成的測量任務(wù)。在狹小的空間里,在強電磁干擾和高電壓的環(huán)境里,光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。目前光纖傳感器已經(jīng)有70多種,大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。

所謂光纖自身的傳感器,就是光纖自身直接接收外界的被測量。外接的被測量物理量能夠引起測量臂的長度、折射率、直徑的變化,從而使得光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庠谡穹?、相位、頻率、偏振等方面發(fā)生變化。測量臂傳輸?shù)墓馀c參考臂的參考光互相干涉(比較),使輸出的光的相位(或振幅)發(fā)生變化,根據(jù)這個變化就可檢測出被測量的變化。光纖中傳輸?shù)南辔皇芡饨缬绊懙撵`敏度很高,利用干涉技術(shù)能夠檢測出10的負4次方弧度的微小相位變化所對應(yīng)的物理量。利用光纖的繞性和低損耗,能夠?qū)⒑荛L的光纖盤成直徑很小的光纖圈,以增加利用長度,獲得更高的靈敏度。

光纖聲傳感器就是一種利用光纖自身的傳感器。當(dāng)光纖受到一點很微小的外力作用時,就會產(chǎn)生微彎曲,而其傳光能力發(fā)生很大的變化。聲音是一種機械波,它對光纖的作用就是使光纖受力并產(chǎn)生彎曲,通過彎曲就能夠得到聲音的強弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種,與激光陀螺相比,光纖陀螺靈敏度高,體積小,成本低,可以用于飛機、艦船、導(dǎo)彈等的高性能慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。如圖就是光纖傳感器渦輪流量計的原理。

光纖傳感器流量計原理如下:

另外一個大類的光纖傳感器是利用光纖的傳感器。其結(jié)構(gòu)大致如下:傳感器位于光纖端部,光纖只是光的傳輸線,將被測量的物理量變換成為光的振幅,相位或者振幅的變化。在這種傳感器系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的傳感器和光纖相結(jié)合。光纖的導(dǎo)入使得實現(xiàn)探針化的遙測提供了可能性。這種光纖傳輸?shù)膫鞲衅鬟m用范圍廣,使用簡便,但是精度比第一類傳感器稍低。

光纖在傳感器家族中是后起之秀,它憑借著光纖的優(yōu)異性能而得到廣泛的應(yīng)用,是在生產(chǎn)實踐中值得注意的一種傳感器。

光纖傳感器憑借著其大量的優(yōu)點已經(jīng)成為傳感器家族的后起之秀,并且在各種不同的測量中發(fā)揮著自己獨到的作用,成為傳感器家族中不可缺少的一員。


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