光纤传感器测量原理及优点

一、什么是光纤？

光纤是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。光纤是由两层折射率不同的玻璃组成。内层为光内芯，直径在几微米至几十微米，外层的直径0.1～0.2mm。一般内芯玻璃的折射率比外层玻璃大1%。根据光的折射和全反射原理,当光线射到内芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时，光线透不过界面，全部反射。

二、 光纤结构

(1) 纤芯（核心）

携带光信号

硅石和掺杂剂，塑料光纤（POF）使用聚合物

单模光纤为9μm，多模光纤为50或62.5μm，POF为1mm

(2) 包层

保持核心部分的光照

纯硅或聚合物

(3) 涂覆层

保护裸露的光纤

丙烯酸酯（聚合物）或聚酰亚胺（用于高温）

三、 光纤模式

从技术层面上讲，模式是光纤的稳定传播状态。深入研究传输模式理论，你会发现这是一种由光的波动性质引起的效应。简单地说，可以认为，一个模式是一条光线，或光纤中的路径

按传输模式分为多模光纤和单模光纤，多模光纤按照折射率分布又可分为阶跃型和渐变型，阶跃型光纤一般较渐变型光纤的带宽低。

（1）阶跃型折射率多模光纤

•短距离链路，<100m

• 10-100 Mb/s

• POF(1mm)或HCS(200/230)

光纤的纤芯折射率高于包层折射率，使得输入的光能在纤芯一包层交界面上不断产生全反射而前进。这种光纤纤芯的折射率是均匀的，包层的折射率稍低一些。光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的，只有一个台阶。

（2）渐变型折射率多模光纤

•中短距离链路，10m-2000m

• 100 Mbs-10Gb/s

• 50/125(OM2)或62.5/125(OM1/OM3)

又名梯度型折射率多模光纤，光纤折射率中心最高，沿径向递减，光束在光纤中传播，可以自动聚焦而不发生色散。多模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是连续变化的，它随纤芯半径r的增加按一定的规律减小。由于纤芯的折射率不均匀，光射线的轨迹不再是直线而是曲线。

(3) 单模光纤

•长距离链路，1000m-100km

• 2.5/10/40/100 Gb/s

• 9/125

中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只存在一种传输模式。单模光纤的传输损耗、传输色散都比较小。传输损耗小可以使得信号在光纤中传输的距离更远一些，可支持超过5000m的传输距离。并且传输色散小有利于高速大容量的数据的传输，因此大容量的通信系统多数使用单模光纤。

四、 光纤的优势

(1)光纤传感器测量原理

将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，称为被调制的信号光，再利用被测量对光的传输特性施加的影响，完成测量。

(2)光纤传感器的优点

与传统的各类传感器相比，光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，具有光纤及光学测量的特点，有一系列独特的优点：

传感器端无需供电，是无源器件；

电绝缘性能好，抗高电磁干扰能力强；

高灵敏度，容易实现对被测信号的远距离监控；

耐腐蚀，防爆，本质安全，各种恶劣或易燃易爆危险环境下可用；

光路有可挠曲性，便于与计算机联接；

传输损耗小，传输容量大；

可实现远距离遥控监测和多点分布式测量，且测量速度快；

Micronor 传感器系统

五、 聚焦-Micronor公司的光纤传感器

Micronor Sensors 是传感领域的专家，在光纤和机电传感器技术方面拥有广泛的专业背景。创新和深厚的光纤技术领域的知识使 Micronor 能够应对温度、应变、位置测量解决方案中的挑战，这些解决方案即使在恶劣的环境中也能可靠地工作。他们的光纤传感器多应用于铁路（振动监控、定位）、矿业、医疗行业、风电行业、石油石化行业等，其主要产品包括：

(1) 多轴光纤加速度计

用于测量高压环境或潜在爆炸性环境中的振动和运动。典型应用包括受电弓监测、风力涡轮机叶片、MRI、变压器、发电机、采矿以及石油和天然气。

(2) 多点温度测量

温度测定基于"拉曼效应"，从而确定沿玻璃纤维的温度分布。通过使用极短的光脉冲，可实现约100mm的空间分辨率，测量光纤的最大长度为250m。

(3) 光纤位置传感器

包含光纤增量编码器(常用于检测电机轴或线性驱动器的运动和速度)；光纤绝对旋转编码器（用于确定轴位置）；线性传感器（以高分辨率记录几米的纯被动线性运动）。

(4)光纤信号设备

包括光纤微动开关、紧急停止开关。在大电流附近进行安全信号检测,，旨在满足 MRI、医疗和工业应用的挑战性要求。

审核编辑：汤梓红