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光纤传感器基础知识

2009年12月02日 10:52 www.elecfans.com 作者:佚名 用户评论(0
道被测参数的变化;另一种是以激光器或发光二极管为光源,用光导纤维作为光传输通道,把光信号载送入或载送出敏感元件,再与其他相应敏感元件配合而构成传感器。前者属于物性型传感器,后者属于结构型传感器。这两种传感器在自动测量系统中都有应用。
   发展背景  为了检测和处理种类繁多的信息,需要用传感器将被测量转换成便于处理的输出信号形式,并送往有关设备。在这个过程中采用光信号比电信号有很大的优越性。用光纤传输光信号,能量损失极小,而且光纤的化学性质稳定、横截面小,同时又具有防噪声、不受电磁干扰、无电火花、无短路负载和耐高温等优点。因此70年代末光纤通信技术兴起,光纤传感器也获得迅速发展。
   分类  光纤传感器按照使用的光纤不同,通常分为多模光纤传感器和单模光纤传感器两大类。光纤芯内折射率分布对传输频带宽度的影响很大。可以传输多种传输模的称为多模光纤,传输频带宽度可达30兆赫至数百兆赫。芯子与包层极细的一种光导纤维(芯子与包层间折射率差值很小)只能传输一种传输模,称为单膜光纤,传输频带宽度高达10吉赫。多模光纤传感器又分为传光型和光强调制型两种,单模光纤传感器则分为偏振调制型和相位调制型两种。
   ①  传光型光纤传感器  以多模光导纤维来传输光信号,根据光接受强度不同进行测量,而对被测参数起检测作用的是其他敏感元件。这种传感器多用于工业检测液位、压力、形变、温度、流速、电流、磁场等。它的优点是性能稳定可靠,结构简单,造价低廉,缺点是灵敏度低。图1[ 光纤液位传感器] 光纤液位传感器为光纤液位传感器的原理示意图。
   ②  光强调制型光纤传感器  在压力作用下光纤产生微弯变形导致光强度变化,从而引起光纤传输损耗的改变,并由吸收、发射或折射率变化来调制发射光,可制成微弯效应的光纤压力传感器(图2[ 微弯效应光纤压力传感器] 微弯效应光纤压力传感器)。由于齿板的作用,在沿光纤光轴的垂直方向上加有压力时,光纤产生微弯变形,光波导方式改变,传输损耗增加。这种传感器具有较高的灵敏度。此外,利用光学编码盘配合光纤可制成数字式光纤压力传感器。
   ③  偏振调制型光纤传感器  单模光导纤维的偏振特性极易受到外界各种物理量的影响,如在高电场下的克尔效应和在强磁场下的法拉第效应,利用这一原理可制成大电流、高电压测试传感器(图3[ 偏振光面变化检测原理图] 偏振光面变化检测原理图)。
   ④  相位调制型光纤传感器  用单模光导纤维构成干涉仪,外界各种物理量的影响因素能导致光导纤维中光程的变化,从而引起干涉条纹的变动。图4[ 干涉仪式光纤温度传感器] 干涉仪式光纤温度传感器为干涉仪式光纤温度传感器的结构原理。激光器的点光源光束扩散为平行波,经分光器分为两路,一为基准光路,另一为测量光路。外界温度(或压力、振动等)引起光纤长度的变化和相位的光相位变化,从而产生不同数量的干涉条纹,对它的模向移动进行计数,就可测量温度或压力等。这种传感器的优点是有极高的灵敏度,主要用于光纤陀螺、光纤水听器、动态压力和应变测量、机械振动测量等方面图5[光纤陀螺仪原理图]为光纤陀螺仪的基本光学系统图BS1、BS2是两个半透镜,激光透过BS1在BS2被分为两路,各自通过聚光镜分别沿着单模光导纤维环向左右两个方向进行。当两路光重新抵达BS2之后,便被导入同轴光路并在F1上产生干涉,然后求出环面在惯性空间的转速。两路光在BS1也被导入同轴光路,在F2产生的干涉也被用于计算转速。光纤陀螺无可动部件,能精确测量该系统相对于惯性空间的旋转速度,是一种高性能的惯性导航陀螺仪。  参考书目  
袁希光主编:《传感器技术手册》,国防工业出版社,北京,1986。

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