光導纖維感測器

光導纖維感測器(簡稱光纖感測器)是20世紀七十年代迅速發展起來的一種新型感測器。光纖最早用於通訊,隨著光纖技術的發展,光纖感測器得到進一步發展。

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概述

光纖感測器較傳統的感測器相比有許多持點:靈敏度高;結構簡單;體積小;耗電量少;耐腐蝕;絕緣性好;光路可彎曲;便於實現遠調。
光纖感測器技術是一門多學科性科學,它涉及知識面廣泛,如纖維光學、光電技術、彈性力學、電磁學、電子技術和微型計算機套用等。套用
光導纖維感測器
磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉矩、光聲、電流和應變等物理量的測量。此外,光纖感測器還可以套用在高電壓、強電磁場干擾的場合。

分類

從感測器的機理上來說,光纖感測器可分為振幅型(強度型)和相位型(干涉型)兩種。
振幅型感測器
原理:待測的物理擾動與光纖連線的光纖敏感元件相互作用,直接調製光強。
優點:這類感測器的優點是結構簡單、具有與光纖技術的相容性,信號檢測也比較容易,但是靈敏度較低。
相位型感測器
原理:在一段單模光纖中傳輸的相干光,因待測物理場的作用,產生了相位調製。
優點:理論上,相位型感測器的靈敏度要比現有的感測器高出幾個數量級,並可通過改變光纖上的塗層來改變其感測的物理量。
缺點:結構複雜,檢測也需要複雜的手段。另外需要研製對某種物理量敏感的特種光纖。

光纖感測器

按工作原理光纖感測器分為功能型和非功能型兩大類。

功能型

(或稱物性型、感測型)光纖感測器 光纖在這類感測器中不僅作為光傳播的波導而且具有測量的功能。因為光纖既是電光材料又是磁光材料,所以可以利用克爾效應、法拉第效應等,製成測量強電流、高電壓等感測器;其次可利用光纖的傳輸特性把輸入量變為調製的光信號。因為表征光波特性的參量,如振幅(光強)、相位、和偏振態會隨著光纖的環境(如應變、壓力、溫度、電場、射線等)而改變,故利用這些特性便可實現感測測量。
1.光強度調製型
光強度調製是光纖感測器最基本的調製形式。被測量通過影響光纖的全內反射實現對輸出光強度的調製。從幾何光學的角度講,調製的條件是分別為纖芯和包層的折射率。 調製的具體途徑又可分為兩大類:
①改變光纖的幾何形狀,從而改變光線的傳播入射角φ ;
②改變光纖纖芯或者包層的折射率。可見,在纖芯中傳輸的光有一部分耦合到包層中,原來光束以大於臨界角的角度在纖芯中傳播為全內反射,但在彎曲處,光束以小於臨界角 sin-1(n2/n1)的角度入射到界面,部分光逸出散射到包層。這種檢測原理可以實現對力、位移和壓強等物理量的測量。改變光纖折射率實現調製的方法也很常用,對於不同的測量對象可以採用不同的材料作包層,例如電光材料、磁光材料、光彈材料等,光纖中光強被油滴所調製的情況。有一種光纖溫度感測器就是利用纖芯和包層折射率的溫度係數不一致,實現對溫度的測量。
2.光相位調製型
光纖相位調製是光纖比較容易實現的調製形式,所有能夠影響光纖長度、折射率和內部應力的被測量都會引起相位變化,例如壓力、應變、溫度和磁場等。相位調製型光纖感測器比強度型複雜一些,一般採用干涉儀檢測相位的變化。
3.光偏振態調製型 外界因素使光纖中偏振態發生變化,並能加以檢測的光纖感測器屬於偏振態調製型。比較典型的套用是根據磁旋效應做成的高壓傳輸線用的光纖電流感測器。

非功能型

(或稱結構型、傳光型)光纖感測器 光纖在非功能型光纖感測器中只作為傳光的介質,還需加上其它敏感器件才能組成感測器。非功能型感測器的特點是結構比較簡單,能夠充分利用其它敏感器件和光纖本身的優點,因此發展很快。

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