光纤传感器的分类及应用

光纤传感器的分类及应用

2008级光信息科学与技术3班 牛鑫

学号：200841801071

光纤传感器（Optical Fiber Transducer ）就是利用光导纤维的传光特性，把被测量转换为光特性(强度、相位、偏振态、频率、波长)改变的传感器。 它的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。

随着现代科学技术的发展, 信息的获得显得越来越重要。传感器正是感知、检测、监控和转换信息的重要技术手段。光纤传感器是继光学、电子学为一体的新型传感器, 与以往的传感器不同, 它将被测信号的状态以光信号的形式取出。光信号不仅能被人所直接感知, 利用半导体二极管如光电二极管等小型简单元件还可以进行光电、电光转换, 极易与一些电子装配相匹配, 这是光纤传感器的优点之一; 另外光纤不仅是一种敏感元件, 而且是一种优良的低损耗传输线; 因此, 光纤传感器还可用于传统的传感器所不适用的远距离测量。近年来光纤传感器得到了越来越广泛的应用。

近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。它具有很多独特的优点：1、灵敏度高由于光是一种波长极短的电磁波, 通过光的相位便得到其光学长度。以光纤干涉仪为例, 由于所使用的光纤直径很小, 受到微小的机械外力的作用或温度变化时其光学长度要发生变化, 从而引起较大的相位变化。2、测量速度快光的传播速度最快且能传送二维信息, 因此可用于高速测量。对雷达等信号的分析要求具有极高的检测速率, 应用电子学的方法难以实现, 利用光的衍射现象的高速频谱分析便可解决。3 、信息容量大被测信号以光波为载体, 而光的频率极高, 所容纳的频带很宽, 同一根光纤可以传输多路信号。4 、适用于恶劣环境光纤是一种电介质, 耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰, 可用于其它传感器所不适应的恶劣环境中。另外, 利用光纤的柔韧性可将光纤传感器做成各种形状的传感器及传感器阵列, 用于多参数测量。

光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传感器; 另一类是非功能型（传

光型）传感器。

一、功能型传感器

功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件, 被测量对光纤内传输的光进行调制, 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化, 再通过对被调制过的信号进行解调, 从而得出被测信号。 光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。 优点：结构紧凑、灵敏度高。 缺点：须用特殊光纤，成本高， 典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等

二、非功能型传感器

非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化, 光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。 光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。

- 1 -

优点：无需特殊光纤及其他特殊技术；比较容易实现，成本低。 缺点：灵敏度较低。 实用化的大都是非功能型的光纤传感器。 光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。目前光纤传感器已经有70多种，大致上分成光纤自身传感器和利用光纤的传感器。 所谓光纤自身的传感器，就是光纤自身直接接收外界的被测量。外接的被测量物理量能够引起测量臂的长度、折射率、直径的变化，从而使得光纤内传输的光在振幅、相位、频率、偏振等方面发生变化。测量臂传输的光与参考臂的参考光互相干涉（比较），使输出的光的相位(或振幅)发生变化，根据这个变化就可检测出被测量的变化。光纤中传输的相位受外界影响的灵敏度很高，利用干涉技术能够检测出10的负4次方弧度的微小相位变化所对应的物理量。利用光纤的绕性和低损耗，能够将很长的光纤盘成直径很小的光纤圈，以增加利用长度，获得更高的灵敏度。 光纤声传感器就是一种利用光纤自身的传感器。当光纤受到一点很微小的外力作用时，就会产生微弯曲，而其传光能力发生很大的变化。声音是一种机械波，它对光纤的作用就是使光纤受力并产生弯曲，通过弯曲就能够得到声音的强弱。光纤陀螺也是光纤自身传感器的一种，与激光陀螺相比，光纤陀螺灵敏度高，体积小，成本低，可以用于飞机、舰船、导弹等的高性能惯性导航系统。如图就是光纤传感器涡轮流量计的原理。

光纤传感器可以应用在多个方面：温度的检测，压力的检测，液位、流量、流速的检

测。

一、温度的检测

光纤温度传感器采用一种和光纤折射率相匹配的高分子温敏材料涂覆在二根熔接在一起的光纤外面，使光能由一根光纤输入该反射面出另一根光纤输出，由于这种新型温敏材料受温度影响，折射率发生变化，因此输出的光功率与温度呈函数关系。其物理本质是利用光纤中传输的光波的特征参量，如振幅、相位、偏振态、波长和模式等，对外界环境因素，如温度，压力，辐射等具有敏感特性。它属于非接触式测温。

系统的工作原理为: 在低温区（400℃以下）, 辐射信号较弱, 系统开启发光二极管(LED)使荧光测温系统工作。 发光二极管发射调制的激励光, 经聚光镜耦合到Y型光纤的分支端, 由Y型光纤并通过光纤耦合器耦合到光纤温度传感头。 光纤传感头端部受激励光激发而发射荧光, 荧光信号由光纤导出, 并通过光纤耦合器从Y型光纤的另一分支端射出, 由光电探测器接收。 光电探测器输出的光信号经放大后由荧光信号处理系统处理, 计算荧光寿命并由此得到所测温度值。 而在高温区（400℃以上）, 辐射信号足够强, 辐射测温系统工作, 发光二极管关闭。 辐射信号通过蓝宝石光纤并通过Y型光纤输出, 由探测器转换成电信号, 系统通过检测辐射信号强度计算得到所测温度。光纤传感头端部由Cr3+离子掺杂, 实现光激励时的荧光发射。 掺杂部分光纤长度为8～10 mm。 端部光纤的外表面同时镀覆黑体腔, 用于辐射测温。 (这时,光纤黑体腔长度与直径之比大于10,可以满足黑体腔表观辐射率恒定的要求)。 值得注意的是, 避免或减少荧光发射部分与热辐射部分的相互干扰, 对保证整个系统的性能十分重要。

二、压力的检测

光纤压力传感器主要有强度调制型、相位调制型和偏振调制型三种。

强度调制型光纤传感器是一种可用于测量位移、温度、压力、气体浓度等多种物理量的高精度传感器。大多基于弹性元件受压发生机械形变，将压力信号转换为位移信号来进行检

- 2 -

测。为改善传感器的性能，微弱光强信号的检测需要载波调制和双光路补偿。传统的这类传感器通常采用模拟电路实现，存在着元件漂移误差、调校困难、不易组网、尺寸较大等固有的弊端。相位调制型光纤传感器是利用光纤本身作为敏感元件，通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。光纤中光的相位由光纤波导的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定，应力、应变、温度等外界物理量能直接改变上述三个波导参数，产生相位变化，实现光纤的相位调制。简单地说，将被测量转为光的波长或光程差的变化，从而使相位发生变化的方法称为相位调制。与其它调制方式相比，相位调制技术由于采用干涉技术而具有很高的检测灵敏度，对温度为106 rad/m·℃，对压力为10-9rad/m·Pa，对应变(轴向)为11.4 rad/m·μm。如果信号检测系统可以检测μrad的相位移，那么，每米光纤的检测灵敏度对温度为10-8℃，对压力为10-7Pa，对应变为10-7。动态测量范围大，可达10次方，且探头形式灵活多样，适用于不同的测试环境，同时响应速度也快。常用的相位调制型光干涉仪有四种：(1)马赫－曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪；(2)麦克尔逊(Michelson)干涉仪；(3)法布里－珀罗(Fabry-Perot，简写为F-P)干涉仪；(4)塞格奈克(Sagnac)干涉仪。 偏振调制型主要是利用晶体的光弹性效应。

三、液位、流量、流速的检测

在化工、机械、水利、石油、医疗、污染检测等领域经常会遇到需要在恶劣环境下对液位、流量、流速等物理量进行测量的问题。光纤传感器在这些检测中可以发挥独特的作用。

将光纤用高温火焰烧软后对折，并将端部烧结成球形。光由一端导入，在球状对折端部一部分光透射出去，另一部分光反射回来，由光纤的另一端导向探测器。这就构成球面光纤液位检测器。光纤流速计可以进行非接触测量，因此不会影响待测物体的流动状态。被测流体可以是液体，也可以是气体。

光纤传感器的研究现状及发展方向：光纤传感器的研究始于本世纪7 0 年代。

自1977 年美国海军研究所(NRL)开始执行光纤传感系统( F O S S ) 计划以来, 世界上许多实验室都相继开展了光纤传感技术的研究工作, 随着光纤传感器研究的不断深入,许多国际间的学术交流也日渐增多。从1 9 8 3 年起国际光纤传感器会议定期召开。从事光纤传感器研究最早的美国海军研究所研制出了水声器、磁强计等水下检测设备、现代数字光纤控制系统(ADSS) 、光纤译码的光纤传感器系统以及光纤陀螺(FOG)、核辐射监控(NRM)、飞机发动机监控等, 参加该研究的还有宇航局( N A S A ) 、西屋电气公司、斯坦福大学等[3]。1982 年英国成立了以贸易工业部为首的传感器合作协会, 到1 9 8 5 年发展到2 6 个成员, 相继研制出高压光纤电流测量装置( 中央电气研究所) 、光纤陀螺及水声器( 伦敦大学) 、光纤传感器及无源多路测试系统( 曼彻斯特大学) 、低双折射光纤、高双折射光纤及光纤无源器件等[ 4 ]。在1 9 8 3 年欧洲的传感器展示会上, 英国展出了用于压力、温度、速度测量的光纤传感器、全光纤干涉仪及适用于危险地区、电磁噪声恶劣环境的用作过程控制的高分辨率长冲程位移传感器。

从光纤传感器的发展现状及文献报道情况来看, 它具有广阔的应用前景, 其进一步的研究方向是: ( 1 ) 解决光纤传感器的实用化问题, 主要是长时间的漂移问题。( 2 ) 开展对采用多路复用技术的光纤传感器系统的研究, 特别是将其于微机相结合组成光纤遥测系统以进行多参数测量与控制。( 3 )开展基础技术及元器件的进一步研究。光纤传感器的性能与其中的有源及无源期间的稳定性和可靠性密切相关, 随着基础技术的进步、元器件性能的更加完善, 光纤传感器将得到更广泛的应用.

- 3 -