光纖傳感器的基本原理

 

　　光纖是光導纖維的簡稱，光纖的主要成份為二氧化硅，由折射較高的纖芯、折射率較低的包層及保護層組成。纖芯為直徑大約0.1mm左右的細玻璃絲，把光封閉在其中并沿軸向進行傳播的導波結(jié)構(gòu)。光纖傳感器的發(fā)現(xiàn)起源于探測光纖外部擾動的實踐，在實踐中，人們發(fā)現(xiàn)當光纖受到外界環(huán)境的變化時，會引起光纖內(nèi)部傳輸光波參數(shù)的變化，而這些變化與外界因素成一定規(guī)律，由此發(fā)展出光纖傳感技術(shù)。

 

　　光纖對許多外界參數(shù)有一定的敏感效應。研究光纖傳感原理就是研究如何應用光纖的這些效應，研究光在調(diào)制區(qū)內(nèi)與外界被測參數(shù)的相互作用，實現(xiàn)對外界被測參數(shù)的“傳”和“感”的功能，這是光纖傳感器的核心。

 

　　在光通信系統(tǒng)中，光纖被用作遠距離傳輸光波信號的媒質(zhì)。顯然，在這類應用中，光纖傳輸?shù)墓庑盘柺芡饨绺蓴_越小越好。但是，在實際的光傳輸過程中，光纖易受外界環(huán)境因素影響，如溫度、壓力、電磁場等外界條件的變化，將引起光纖光波參數(shù)如光強、相位、頻率、偏振、波長等的變化。因此，人們發(fā)現(xiàn)如果能測出光波參數(shù)的變化，就可以知道導致光波參數(shù)變化的各種物理量的大小，于是產(chǎn)生了光纖傳感技術(shù)。光纖傳感技術(shù)是用光纖對某些物理量的敏感特性，將外界物理量轉(zhuǎn)換成可以直接測量的信號的技術(shù)。由于光纖不僅可以作為光波的傳播媒質(zhì)，而且由于光波在光纖中傳播時表征光波的特征參量振幅、相位、偏振態(tài)、波長等)因外界因素如溫度、壓力、應變、磁場、電場、位移、轉(zhuǎn)動等的作用而直接或間接發(fā)生變化，從而也可將光纖用作傳感元件來探測各種物理量。

 

　　上圖是光纖傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖。光纖傳感器通常由光源、傳輸光纖、傳感元件或調(diào)制區(qū)、光檢測等部分組成。光強、波長、振幅、相位、偏振態(tài)和模式分布等參量在光纖傳輸中都可能會受外界影響而發(fā)生改變，特別如溫度、壓力、加速度、電壓、電流、位移、振動、轉(zhuǎn)動、彎曲、應變以及化學量和生物化學量等對光路產(chǎn)生影響時，都會使這些參量發(fā)生相應變化。光纖傳感器就是根據(jù)這些參量隨外界因素的變化關(guān)系來檢測各相應物理量的大小。