光纤传感器的信号转换、传输与接收处理

光纤自20世纪60年代问世以来，就在传递图像和检测技术等方面得到了应用。利用光导纤维作为传感器的研究始于20世纪70年代中期。由于光纤传感器具有不受电磁场干扰、传输信号安全、可实现非接触测量，而且具有高灵敏度、高精度、高速度、高密度、适应各种恶劣环境下使用以及非破坏性和使用简便等等一些优点。无论是在电量（电流、电压、磁场）的测量，还是在非电物理量（位移、温度、压力、速度、加速度、液位、流量等）的测量方面，都取得了惊人的进展。

光纤传感器一般由三个环节组成，即信号的转换、信号的传输、信号的接收与处理。

信号的转换环节，将被测参数转换成为便于传输的光信号。

信号的传输环节，利用光导纤维的特性将转换的光信号进行传输。

信号的接收与处理环节，将来自光导纤维的信号送入测量电路，由测量电路进行处理并输出。

光纤传感器分为物性型（或称功能型）与结构型（或称非功能型）两类。

1.物性型光纤传感器及其应用

物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素（如温度、压力、电场、磁场等等）改变时，其传光特性（如相位与光强）会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。

图3-71所示为施加均衡压力和施加点压力的两种光纤压力传感器形式。图3-71（a）所示为光纤在均衡压力作用下，由于光弹性效应而引起光纤折射率、形状和尺寸的变化，从而导致光纤传播光的相位变化和偏振面旋转；图3-71（b）所示为光纤在点压力作用下，引起光纤局部变形，使光纤由于折射率不连续变化导致传播光散乱而增加损耗，从而引起光振幅变化。

图3-72为光纤流速传感器，主要由多模光纤、光源、铜管、光电二极管及测量电路所组成。多模光纤插入顺流而置的铜管中，由于流体流动而使光纤发生机械变形，从而使光纤中传播的各模式光的相位发生变化，光纤的发射光强出现强弱变化，其振幅的变化与流速成正比，这就是光纤传感器测流速的工作原理。

图3-71 物性型光纤压力传感器原理

（a）施加均衡压力；（b）施加点压力

图3-72 光纤传感器测流速的工作原理

2. 结构型光纤传感器及其应用(www.xing528.com)

结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。

图3-73所示为激光多普勒效应速度传感器测试系统，所谓多普勒效应，即当波源相对于介质运动时，波源的频率与介质中的波动频率不相同。同样，介质中的频率与一个相对于介质运动的接收器所记录的频率也不相同，这两种情况都称为多普勒效应，所产生的频率差称为多普勒频率。该系统主要由激光光源、分光器、光接收器、频率检测器及振动物体等部分组成。其工作原理为：由激光光源（氢-氦激光）发出的光（频率为fi）导入光导纤维，经过分光镜后，光线通过光纤射向振动物体，由于振动物体（被测体）振动，产生散射（频率为fs），被测物体的运动速度与多普勒频率之间的关系为

图3-73 多普勒效应测速系统框图

Δf＝fs－fi＝2nv/λ

式中，fi为入射光频率，即激光源频率；fs为散射光频率；n为发生散射介质的折射率；λ为入射光在空气中的波长；v为被测物体的运动速度。

上式表明，多普勒频率Δf与被测物体运动速度v成比例变化关系，从频率分检器中测得Δf后，即可得到物体的运动速度。

光纤传感器应用相当广泛，尤其在下列情况下特别适应：

在高压、电磁感应噪音条件下的测试；

在危险和环境恶劣条件下的测试；

在机器设备内部的狭小间隙中的测试；

在远距离的传输中的测试。

以光纤传感器为核心的远距离测试系统在过程检测和控制系统中的应用已成为当前的重点研究课题。