光纤传感器的工作原理详解

1.传感型光纤传感器的工作原理

这类传感器是利用被测对象的状态（物理的、化学的等）引起光纤传输特性变化，从而通过检测光纤中所传输光波的振幅（强度）、相位、偏振态与频率等的变化来确定被测对象的状态的。引起光纤传输参数或光波本身的变化，直接或间接地与各种物理效应有关。表4-2中列出了常用的各种物理效应与检测量之间的关系。

表4-2 传感型光纤传感器所用的主要物理效应与检测量

2.传光型光纤传感器的工作原理

这类传感器是利用被测对象的状态引起光变换器件工作状态变化，从而通过检测与光变换器连接的光纤中所传输光波参数的变化来确定被测对象的状态的。表4-3中列出了常用的几种光变换器与待测量之间的关系。

表4-3 传光型光纤传感器主要光转换元件与检测量

（1）光纤温度传感器 图4-8给出了几种传感型光纤温度传感器的工作原理图。图a是因为温度改变使所传输光散射到光纤外，从而使光的振幅发生变化，这是一种最简单的传感器结构，灵敏度很差；图b利用了光纤偏振动面的旋转，温度引起光纤偏振特性的变化，可通过偏振器反映出来；图c与图d则利用了光的相位变化来检测温度。因为温度变化使得单模光纤长度、折射率及蕊径等发生变化，从而使传输光的相位区发生变化。图c和图d分别采用了马赫-然德干涉仪与法布里-泊罗干涉仪光路结构。前一种可以通过所形成的明亮干涉条纹的移动来测量：而后一种则可通过输出光强变化来测量。这两种方式式都具有很高的灵敏度，但是随之而来的缺点是普通单模光纤的相位变化还与其他外界因素如振动、压力有关。因此，必须将这些干扰降低才有可能发挥其作用。

图4-8 传感型光纤温度传感器的工作原理(www.xing528.com)

a）振幅变化 b）偏振面旋转 c）相位变化（马赫-然德型） d）相位变化（法布里-泊罗型）

（2）光纤压力、振动传感器

这种传感器利用压力（或振动）使光纤变形，从而使其传输特性发生变化的原理。压力引起光纤形状和尺寸变化，由于弹光效应而使得光纤折射率随之改变，结果引起沿光纤传输的光的相速变化和偏振面旋转（见图4-9a）；压力引起折射率不连续的变化会引起传输光的散射损耗增加（见图4-9b）。

图4-9 光纤压力传感器的基本结构

图4-10 利用微弯效应的光纤压力

a）振动 b）传感器

因此，只要测出相应的相速、偏振或光强的变化就能确定其压力（或振动）大小。图4-10为一种利用光纤微弯效应制作的压力传感器。光纤在压力作用下发生许多微弯而使传输光从纤芯泄漏出去，压力愈大，泄漏出去的光愈多。利用传输光相速与偏振变化进行传感可以得到高的灵敏度。为了进行检测需用到光的干涉与检偏等特殊方法。其缺点是它们易于受到其他因素的干扰，特别是温度影响。这时需要尽力加以克服，例如当其在检测压力（或振动）时，当压力变化周期比温度变化周期高得多时，可以用滤波方法将光电转换后电信号中与温度变化有关的成分分离开。

（3）光纤位移传感器 位移传感器是机械量传感器中的基本传感器，应用很广。光纤位移传感器虽然测量的位移范围较小，但它可以获得高的灵敏度（或分辨率），因此在许多应用场合，除了将它应用来直接测量位移外，还常将其他机械量，如压力、振动等转换成位移量进行检测。