光纖傳感器的分類及應(yīng)用原理

 

    根據(jù)調(diào)制區(qū)與光纖的關(guān)系，可將調(diào)制分為三大類：

 

    傳光型光纖傳感器

 

    傳光型光纖傳感器也稱非功能型光纖傳感器或強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器，光纖主要起傳輸光波的作用，傳光型光纖傳感器主要由光源、光纖、光調(diào)制器、敏感元件、光電探測(cè)器、檢測(cè)電路等組成。傳光型光纖傳感器的基本原理是待測(cè)物理量引起光纖中的傳輸光光強(qiáng)I變化,通過光強(qiáng)I的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物理量的測(cè)量。

 

    強(qiáng)度調(diào)制的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)。強(qiáng)度調(diào)制的方式很多，主要有反射式強(qiáng)度調(diào)制(如圖1所示)和透射式強(qiáng)度調(diào)制(如圖2所示)

 

    傳感型光纖傳感器

 

    傳感型光纖傳感器也稱功能型光纖傳感器，光纖既傳光又傳感,即還充當(dāng)敏感元件。對(duì)于傳感型光纖傳感器而言,當(dāng)光在光纖中傳播時(shí)，被測(cè)物理量或外界因素作用在光纖上，使得光纖中傳輸光的振幅、相位、波長(zhǎng)、偏振態(tài)等發(fā)生改變，此過程為光調(diào)制，調(diào)制后的光經(jīng)光纖傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)器解調(diào)后轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。

 

    傳感型光纖傳感器的原理比傳光型光纖傳感器的復(fù)雜得多，它利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光學(xué)特性的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)“傳”和“感”的功能。此外，傳感器中光纖是連續(xù)的，由于光纖連續(xù)，增加其長(zhǎng)度，可提高靈敏度。傳感型光纖傳感器應(yīng)用最多的是相位調(diào)制型光纖傳感器或者干涉型光纖傳感器，,即外界因素使光纖中傳輸光的相位變化，進(jìn)而改變出射光(干涉光)的強(qiáng)度變化來(lái)達(dá)到測(cè)量目的。

 

    常用的干涉型光纖傳感器有Michelson干涉式光纖傳感器、Mach-Zehnder干涉式光纖傳感器、Fabry-Perot(F-P)干涉式光纖傳感器、Sagnac干涉式光纖傳感器、Fizeau干涉式光纖傳感器等。干涉型光纖傳感器是高精度光纖傳感與測(cè)量技術(shù)的最佳選擇。

 

    拾光型光纖傳感器

 

    拾光型光纖傳感器該類傳感器用光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計(jì)、輻射式光纖溫度傳感器等。

 

    光纖傳感器按被測(cè)對(duì)象，又可分為光纖溫度傳感器、光纖位移傳感器、光纖濃度傳感器、光纖電流傳感器、光纖流速傳感器等。

 

    光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)不同又可分為光強(qiáng)調(diào)制光纖傳感器、相位調(diào)制光纖傳感器、偏振調(diào)制光纖傳感器和波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器。

 

    振幅調(diào)制傳感型光纖傳感器

 

    利用外界因素引起的光纖中光強(qiáng)的變化來(lái)探測(cè)物理量等各種參量的傳感器稱為振幅調(diào)制傳感型光纖傳感器。改變光纖中光強(qiáng)的方法有多種，而改變光纖的微彎狀態(tài)就是其中一種。光纖微彎傳感器就是利用光纖中的微彎損耗來(lái)探測(cè)外界物理量的變化。它是利用多模光纖在受到微彎時(shí)，一部分芯模能量會(huì)轉(zhuǎn)化為包層模能量這一原理，通過測(cè)量包層模能量或芯模能量的變化來(lái)測(cè)量位移或振動(dòng)等。其原理圖如圖所示。

 

    激光束經(jīng)擴(kuò)束、聚焦輸入多模光纖。其中的非導(dǎo)引模由雜模濾除器去掉，然后在變形器作用下產(chǎn)生位移，光纖發(fā)生微彎的程度不同時(shí)，轉(zhuǎn)化為包層模式的能量也隨之改變。變形器由測(cè)微頭調(diào)整至某一恒定變形量；待測(cè)的交變位移由壓電陶瓷給出。實(shí)驗(yàn)表明，該裝置靈敏度達(dá)0.6?V/A（它強(qiáng)烈依賴于多模光纖中的導(dǎo)引模式分布，高階模越多，越易轉(zhuǎn)化為包層模，靈敏度也就愈高），相當(dāng)于最小可測(cè)試位移為0.01nm，動(dòng)態(tài)范圍可望超過100dB。

 

    相位調(diào)制傳感型光纖傳感器

 

    利用外界因素引起的光纖中光波相位的變化來(lái)探測(cè)物理量等各種參量的傳感器稱為相位調(diào)制傳感型光纖傳感器。該類傳感器主要應(yīng)用于制成干涉儀，而光纖Sagnac干涉儀就是其中典型的一種。