光纤传感器的分类结构及工作原理

分类：技术中心 2607人浏览 2020-10-09

光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测的光信号的传感器。光纤传感器的工作原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制器，在调制器内与外界被测参数的相互作用，使光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件、经解调器后获得被测参数。整个过程中，光束经由光纤导入，通过调制器后再射出，其中光纤的作用首先是传输光束，其次是起到光调制器的作用。

光纤传感器的分类
根据光受被测对象的调制形式可以分为：强度调制型、偏振态制型、相位制型、频率制型；
根据光是否发生干涉可分为：干涉型和非干涉型；
根据是否能够随距离的增加连续地监测被测量可分为：分布式和点分式；

根据光纤在传感器中的作用可以分为：
一类是功能型（Functional Fiber，缩写为FF)传感器，又称为传感型传感器；
另一类是非功能型（Non Functional Fiber缩写为NFF)，又称为传光型传感器。

功能型
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。

非功能光纤型
非功能型光纤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。
优点：光纤即可用于电气隔离，有用于数据传输，且光纤传输的信号不受电磁干扰的影响。

实用化的大都是非功能型的光纤传感器。AnyWay的变频电压传感器、变频电流传感器、变频功率传感器（一种电压、电流组合式传感器）就属于非功能型的光纤传感器，在复杂电磁环境下的电量测量中，有其独到的优势。

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。光纤传感器有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。

布拉格光栅
光纤布拉格光栅传感器（FBS）是一种使用频率最高，范围最广的光纤传感器，这种传感器能根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长。光纤布拉格光栅是通过全息干涉法或者相位掩膜法来将一小段光敏感的光纤暴露在一个光强周期分布的光波下面。这样光纤的光折射率就会根据其被照射的光波强度而永久改变。这种方法造成的光折射率的周期性变化就叫做光纤布拉格光栅。

当一束广谱的光束被传播到光纤布拉格光栅的时候，光折射率被改变以后的每一小段光纤就只会反射一种特定波长的光波，这个波长称为布拉格波长，这种特性就使光纤布拉格光栅只反射一种特定波长的光波，而其它波长的光波都会被传播。

按光纤在光纤传感器中的作用可分为传感型和传光型两种类型。

传感型光纤传感器的光纤不仅起传递光作用，同时又是光电敏感元件。由于外界环境对光纤自身的影响，待测量的物理量通过光纤作用于传感器上，使光波导的属性(光强、相位、偏振态、波长等)被调制。传感器型光纤传感器又分为光强调制型、相位调制型、振态调制型和波长调制型等。

传光型光纤
传光型光纤传感器是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后，通过在输出端进行光信号处理而进行测量的，这类传感器带有另外的感光元件对待测物理量敏感，光纤仅作为传光元件，必须附加能够对光纤所传递的光进行调制的敏感元件才能组成传感元件。光纤传感器根据其测量范围还可分为点式光纤传感器、积分式光纤传感器、分布式光纤传感器三种。其中，分布式光纤传感器被用来检测大型结构的应变分布，可以快速无损测量结构的位移、内部或表面应力等重要参数。用于土木工程中的光纤传感器类型主要有Math-Zender干涉型光纤传感器，Fabry-pero腔式光纤传感器，光纤布喇格光栅传感器等。

光纤传感器的轻巧性、耐用性和长期稳定性，使其能够方便的应用于建筑钢结构和混凝土等各种建筑材料的内部应力、应变检测。实现的建筑结构的健康检测。

光纤传感器的另外一个大类是利用光纤的传感器。其结构大致如下：传感器位于光纤端部，光纤只是光的传输线，将被测量的物理量变换成为光的振幅，相位或者振幅的变化。在这种传感器系统中，传统的传感器和光纤相结合。光纤的导入使得实现探针化的遥测提供了可能性。这种光纤传输的传感器适用范围广，使用简便，但是精度比第一类传感器稍低。

光纤在传感器家族中是后起之秀，它凭借着光纤的优异性能而得到广泛的应用，是在生产实践中值得注意的一种传感器。

光纤传感器凭借着其大量的优点已经成为传感器家族的后起之秀，并且在各种不同的测量中发挥着自己独到的作用，成为传感器家族中不可缺少的一员。

工作原理
光纤传感器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、偏振态等）发生变化，称为被调制的信号光，再利用被测量对光的传输特性施加的影响，完成测量。

光纤传感器的测量原理有两种。
（1）物性型光纤传感器原理，物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。

因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界参数(温度、压力、振动等)引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压等。

（2）结构型光纤传感器原理，结构型光纤传感器是由光检测元件(敏感元件)与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。

光纤传感器的结构组成
光纤传感器网的三种基本构成。
光纤传感器网有三种基本构成，其中一个叫单点式传感器。一根光纤在这里仅仅起到传输的作用，另外一种叫多点式传感器，在这里一根光纤把很多传感器串起来，这样很多传感器可以共用光源实现网络性监测。再有就是智能光纤传感器。

多点式光纤传感器，从外表看就是一节光栅，通过紫外线照射发现有周期性的间隔。当有光纤入射的时候，如果光纤的波长正好等于间隔的两倍，那么这个光波将会受到强烈的反射，而如果光纤受到温度变化或者应变等等，这个反射波长将会发生变化，这种传感器在一根光纤上可以做很多个，把它连接起来就可以用于各种各样的传感应用。

因为光纤是软的，它可以两维、三维，所以横轴是空间的位置，纵轴是测量对象。这样一个传感网解决了什么问题呢?它解决了在什么位置上发生了什么事情，那个事情有多少个强度的问题，也就是提供了两维的信息。这就是智能光纤传感器所需要解决的问题，它有非常突出的特点要求，包括体积小、强度高、稳定性好，可植入材料中。抗电磁干扰、耐环境。

光纤传感器已经成功应用于飞机结构监测。我们看到A-380和波音787，它们的特点是超过一半数量是碳纤维，比如说碳纤维符合树脂有几种缺失，一个是层与层之间的剥离，由于这种材料比较强，所以很难像铝合金材料那样实行碳酸检测，所以研究人员现在开始研究把光纤传感器埋到复合材料当中去，由于这种材料一层大概125微米的厚度，所以这种光纤传感器必须是特别细小的光纤传感器，大概直径在50个微米左右。

我们说光纤传感器网可以成为安全安心社会的神经网。光纤传感器网可以用于光纤通讯网的诊断技术。光纤传感器网在安防方面已经有很多的应用，国内有很多企业在这方面开展了卓有成效的工作。

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