光纤传感器基础知识

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]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]）。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]）。

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]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。