文獻綜述報告-光纖傳感器(編輯修改稿)
2025-08-31 00:32 本頁面
【文章內容簡介】 制的光波參數(shù)不同又可分為強度調制光纖傳感器、相位調制光纖傳感器、偏振調制光纖傳感器和波長調制光纖傳感器。下面介紹這幾種光纖傳感器的應用原理及其基本特點。 應用原理[12]這是一種利用被測量的變化引起光纖中的光強發(fā)生變化的光纖傳感器。能夠引起光纖中光強發(fā)生變化的因素有: 改變光纖的微彎狀態(tài), 改變光纖對光波的吸收特性, 改變光纖包層的折射率。下面分別討論利用以上三個因素制成的光強調制型光纖傳感器的應用原理。（1）改變光纖的微彎狀態(tài)利用微彎效應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, 一部分纖芯模式能量會轉化為包層模式能量這一原理，可通過測包層模式能量的變化來測量位移。例如: 利用這一原理制成的光纖報警器, 其基本原理是光纖呈彎曲狀織于地毯中，當有人站在地毯上時,地毯彎曲狀加劇,引起光纖光強變化，產生報警信號。研制這類傳感器的關鍵在于確定變形器的最佳結構, 最佳結構一般通過實驗確定。圖2 光纖位移傳感器的原理圖（2）改變光纖對光波的吸收特性X 射線和C射線會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。與此類似的還有光纖紫外光傳感器。紫外光照射會使光纖激發(fā)熒光, 由熒光強弱探測紫外光強。這一類傳感器的關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, 經反射鏡再沿原路返回輸出。當被測參量(折射率、濃度、溫度等)發(fā)生變化時, 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, 因而輸出光強下降。由此原理可制成光纖液體濃度傳感器, 光纖折射率計等。圖3 全內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參量對光學敏感元件的作用，使敏感元 件的折射率、傳感常數(shù)或光強發(fā)生變化,從而使光的相位隨被測參量而變, 然后 用干涉儀進行解調,即可得到被測參量的信息。用以上原理制成的光纖干涉儀可測量地震波、水壓、溫度、加速度、電流、磁場等, 并可檢測液體、氣體的成分。這類光纖傳感器的靈敏度很高, 傳感對象廣泛,但是需要特種光纖。圖4是 Michelson光纖干涉儀, 它利用一個光纖定向耦合器構成雙光束干涉儀, 兩光纖之一為參考臂, 另一為傳感臂。被測參量的變化可直接引起干涉儀中傳感臂光纖的長度和折射率發(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, 則可利用它們對光纖引起的壓力變化來測量弱磁場或弱電場。若在傳感臂上鍍上金屬薄膜, 則可利用電流的熱效應來測量電 流。圖4 Michelson光纖干涉儀[12] 被測參量可使光纖中光波的偏振態(tài)發(fā)生變化, 檢測該種變化的光纖傳感器稱為偏振態(tài)調制型。 最典型的是測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, 即光纖處于磁場中, 磁場使光纖中光波的偏振面 旋轉, 旋轉角H與磁場強度H、磁場中光纖的長度L滿足: H=KHL , K 為光纖材料系數(shù)。由長直載流導線在周圍空間產生的磁場 H = I/2PR，R是光纖與載流導線間的垂直距離，則H=KLI/2PR 只要測出H，L，R即可求出導線中的電流。圖 5為其原理圖。這種測電流的方法測量范圍大、靈敏度高、與高壓線無接觸，使輸入輸出端實現(xiàn)了電絕緣。但是目前實際測量還存在一些問題，主要是受外界溫度、壓力變化等影響,光纖本身會產生雙折射效應,從而引起測量誤差。圖5 光纖電流傳感器原理五、光纖傳感器的應用及存在問題[2]光纖傳感器廣泛應用于工業(yè)生產、醫(yī)療衛(wèi)生、國防工程等重要部門, 本文僅介紹光纖傳感器的兩種典型應用情況, 突出了光纖傳感器的優(yōu)點和急待解決的問題。溫度
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