文獻(xiàn)綜述報(bào)告-光纖傳感器(編輯修改稿)
2025-08-31 00:23 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 制的光波參數(shù)不同又可分為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器、相位調(diào)制光纖傳感器、偏振調(diào)制光纖傳感器和波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器。下面介紹這幾種光纖傳感器的應(yīng)用原理及其基本特點(diǎn)。 應(yīng)用原理[12]這是一種利用被測(cè)量的變化引起光纖中的光強(qiáng)發(fā)生變化的光纖傳感器。能夠引起光纖中光強(qiáng)發(fā)生變化的因素有: 改變光纖的微彎狀態(tài), 改變光纖對(duì)光波的吸收特性, 改變光纖包層的折射率。下面分別討論利用以上三個(gè)因素制成的光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器的應(yīng)用原理。（1）改變光纖的微彎狀態(tài)利用微彎效應(yīng)制成的光纖位移傳感器的原理如圖2。它是利用多模光纖在受到彎曲時(shí), 一部分纖芯模式能量會(huì)轉(zhuǎn)化為包層模式能量這一原理，可通過(guò)測(cè)包層模式能量的變化來(lái)測(cè)量位移。例如: 利用這一原理制成的光纖報(bào)警器, 其基本原理是光纖呈彎曲狀織于地毯中，當(dāng)有人站在地毯上時(shí),地毯彎曲狀加劇,引起光纖光強(qiáng)變化，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。研制這類傳感器的關(guān)鍵在于確定變形器的最佳結(jié)構(gòu), 最佳結(jié)構(gòu)一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。圖2 光纖位移傳感器的原理圖（2）改變光纖對(duì)光波的吸收特性X 射線和C射線會(huì)使光纖材料的吸收損耗增加，從而使光纖輸出功率減小。利用這一原理可以制成光纖輻射傳感器，用于核電站大范圍的監(jiān)測(cè)。與此類似的還有光纖紫外光傳感器。紫外光照射會(huì)使光纖激發(fā)熒光, 由熒光強(qiáng)弱探測(cè)紫外光強(qiáng)。這一類傳感器的關(guān)鍵是要制作特殊光纖。（3）改變光纖包層的折射率 圖3是一種全內(nèi)反射光纖傳感器原理圖。它的光纖端面的角度被磨成恰好等于臨界角。從纖芯輸入的光將從端面全反射, 經(jīng)反射鏡再沿原路返回輸出。當(dāng)被測(cè)參量(折射率、濃度、溫度等)發(fā)生變化時(shí), 光纖端面包層的折射率也發(fā)生變化,全反射的條件被破壞, 因而輸出光強(qiáng)下降。由此原理可制成光纖液體濃度傳感器, 光纖折射率計(jì)等。圖3 全內(nèi)反射光纖傳感器原理圖[12] 這類傳感器的基本原理是利用被測(cè)參量對(duì)光學(xué)敏感元件的作用，使敏感元 件的折射率、傳感常數(shù)或光強(qiáng)發(fā)生變化,從而使光的相位隨被測(cè)參量而變, 然后 用干涉儀進(jìn)行解調(diào),即可得到被測(cè)參量的信息。用以上原理制成的光纖干涉儀可測(cè)量地震波、水壓、溫度、加速度、電流、磁場(chǎng)等, 并可檢測(cè)液體、氣體的成分。這類光纖傳感器的靈敏度很高, 傳感對(duì)象廣泛,但是需要特種光纖。圖4是 Michelson光纖干涉儀, 它利用一個(gè)光纖定向耦合器構(gòu)成雙光束干涉儀, 兩光纖之一為參考臂, 另一為傳感臂。被測(cè)參量的變化可直接引起干涉儀中傳感臂光纖的長(zhǎng)度和折射率發(fā)生變化, 從而引起光纖中光波相位的變化。若把磁致伸縮材料或壓電材料固定在傳感臂上, 則可利用它們對(duì)光纖引起的壓力變化來(lái)測(cè)量弱磁場(chǎng)或弱電場(chǎng)。若在傳感臂上鍍上金屬薄膜, 則可利用電流的熱效應(yīng)來(lái)測(cè)量電 流。圖4 Michelson光纖干涉儀[12] 被測(cè)參量可使光纖中光波的偏振態(tài)發(fā)生變化, 檢測(cè)該種變化的光纖傳感器稱為偏振態(tài)調(diào)制型。 最典型的是測(cè)量大電流用的光纖電流傳感器。 基本原理是利用光纖材料的法拉第效應(yīng), 即光纖處于磁場(chǎng)中, 磁場(chǎng)使光纖中光波的偏振面 旋轉(zhuǎn), 旋轉(zhuǎn)角H與磁場(chǎng)強(qiáng)度H、磁場(chǎng)中光纖的長(zhǎng)度L滿足: H=KHL , K 為光纖材料系數(shù)。由長(zhǎng)直載流導(dǎo)線在周圍空間產(chǎn)生的磁場(chǎng) H = I/2PR，R是光纖與載流導(dǎo)線間的垂直距離，則H=KLI/2PR 只要測(cè)出H，L，R即可求出導(dǎo)線中的電流。圖 5為其原理圖。這種測(cè)電流的方法測(cè)量范圍大、靈敏度高、與高壓線無(wú)接觸，使輸入輸出端實(shí)現(xiàn)了電絕緣。但是目前實(shí)際測(cè)量還存在一些問(wèn)題，主要是受外界溫度、壓力變化等影響,光纖本身會(huì)產(chǎn)生雙折射效應(yīng),從而引起測(cè)量誤差。圖5 光纖電流傳感器原理五、光纖傳感器的應(yīng)用及存在問(wèn)題[2]光纖傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、國(guó)防工程等重要部門, 本文僅介紹光纖傳感器的兩種典型應(yīng)用情況, 突出了光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)和急待解決的問(wèn)題。溫度
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