光纤传感器的工作原理、组成及应用

1.光纤传感器的工作原理及组成

光纤传感器原理实际上是研究光在调制区内，外界信号（温度、压力、应变、位移、振动、电场等）与光的相互作用，即研究光被外界参数的调制原理。外界信号可能引起光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制。

光纤传感器一般分为两大类：一类是利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器，称为功能型（Functional Fiber，FF）传感器，又称为传感型传感器；另一类是光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其他敏感元件感受被测量的变化，这类传感器称为非功能型（Non Functional Fiber，NFF）传感器，又称为传光型传感器。

在用途上，非功能型传感器要多于功能型传感器，而且非功能型传感器的制作和应用也比较容易，所以目前非功能型传感器品种较多。功能型传感器的构思和原理往往比较巧妙，可解决一些特别棘手的问题。但无论哪一种传感器，最终都利用光探测器将光纤的输出变为电信号。

光纤传感器由光源、敏感元件（光纤或非光纤的）、光探测器、信号处理系统以及光纤等组成，如图8-36所示。由光源发出的光通过源光纤引到敏感元件，被测参数作用于敏感元件，在光的调制区内，使光的某一性质受到被测量的调制，调制后的光信号经接收光纤耦合到光探测器，将光信号转换为电信号，最后经信号处理得到所需要的被测量。

2.光纤传感器的应用

（1）光纤加速度传感器

光纤加速度传感器的组成结构如图8-37所示。它是一种简谐振子的结构形式。激光束通过分光板后分为两束光，透射光作为参考光束，反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时，由于质量块M对光纤的作用，从而使光纤被拉伸，引起光程差的改变。相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。激光干涉仪干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号，经过信号处理电路处理后便可以正确地测出加速度值。

（2）光纤温度传感器

光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而被广泛使用的光纤传感器。根据工作原理它可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。这里仅介绍一种光强调制型的半导体光吸收型光纤传感器，图8-38所示为这种传感器的结构原理图。传感器是由半导体光吸收器、光纤、光源和包括光探测器在内的信号处理系统等组成的。光纤用来传输信号，半导体光吸收器是光敏感元件，在一定的波长范围内，它对光的吸收随温度T变化而变化。图8-39所示为半导体的光透过率特性。半导体材料的光透过率特性曲线随温度的增加向长波方向移动，如果适当地选定一种在该材料工作波长范围内的光源，那么就可以使透射过半导体材料的光强随温度而变化，探测器检测输出光强的变化即达到测量温度的目的。

图8-36 光纤传感器组成示意图

a）传感型 b）传光型

图8-37 光纤加速度传感器的组成结构

图8-38 半导体光吸收型光纤温度传感器结构原理图(www.xing528.com)

图8-39 半导体的光透过率特性

1—光源光谱分布 2—吸收边沿透射率f（λ，T）

这种半导体光吸收型光纤传感器的测量范围随半导体材料和光源而变，一般在-100～300℃温度范围内进行测量，响应时间约为2s。它的特点是体积小、结构简单、时间响应快、工作稳定、成本低，便于推广应用。

3.光纤旋涡流量传感器

光纤旋涡流量传感器是将一根多模光纤垂直地装入管道，当液体或气体流经与其垂直的光纤时，光纤受到流体涡流的作用而振动，振动的频率与流速有关。测出频率就可知流速。这种流量传感器结构示意图如图8-40所示。

当流体运动受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时，根据流体力学原理，在某些条件下，在非流线体的下游两侧产生有规则的旋涡。其旋涡的频率f与流体的流速可表示为

式中 v——流体流速；

d——流体中物体的横向尺寸大小；

S_t——斯特罗哈尔（Strouhal）系数，它是一个无量纲的常数，仅与雷诺数有关。

在多模光纤中，光以多种模式进行传输，在光纤的输出端，各模式的光就形成了干涉图样，这就是光斑。一根没有外界扰动的光纤所产生的干涉图样是稳定的，当光纤受到外界扰动时，干涉图样的明暗相间的斑纹或斑点发生移动。如果外界扰动是流体的涡流引起的，那么干涉图样斑纹或斑点就会随着振动的周期变化来回移动，这时测出斑纹或斑点的移动，即可获得对应于振动频率f的信号，推算流体的流速v。

这种流体传感器可测量液体和气体的流量，因为传感器没有活动部件，测量可靠，而且对流体流动不产生阻碍作用，因此压力损耗非常小。这些特点是孔板、涡轮等许多传统流量计所无法比拟的。

图8-40 光纤旋涡流量传感器结构示意图