光纤传感器的类型 光纤传感器按其传感器原理分为两大类:一类是传光型,也称为非 功能型光纤传感器;另一类是传感型,或称为功能型光纤传感器。前者 多数使用多模光纤,后者常使用单模光纤。 在传光型光纤传感器中,光纤仅作为传播光的介质,对外界信息的 “感觉”功能是依靠其它功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续 的,其间有中断,中断的部分要接上其他介质的敏感元件。调制器可能是 光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。光纤在传感器中仅起传光作用 传光型光纤传感器主要利用已有的其他敏感材料,作为其敏感元件 这样可以利用现有的优质敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度。传 光介质是光纤 训划暑 所以来用通信光光 ※ 入射光纤 出射光奸 输出 纤甚至普通的多 模光纤就能满足 要求 光诺 多普动 传光型光纤传 化学党光、 光_魈予 光 光 光 感器占据了光纤 射乳等 运动 传感器的绝大多 数 传光型光纤传感器
2．光纤传感器的类型 光纤传感器按其传感器原理分为两大类：一类是传光型，也称为非 功能型光纤传感器；另一类是传感型，或称为功能型光纤传感器。前者 多数使用多模光纤，后者常使用单模光纤。 在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的 “感觉”功能是依靠其它功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续 的,其间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元件。调制器可能是 光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。光纤在传感器中仅起传光作用。 传光型光纤传感器主要利用已有的其他敏感材料，作为其敏感元件， 这样可以利用现有的优质敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度。传 光介质是光纤， 所以来用通信光 纤甚至普通的多 模光纤就能满足 要求。 传光型光纤传 感器占据了光纤 传感器的绝大多 数
传感型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光 纤(或特殊光纤)作传感元件,将“传”和“感”合为一体的传感器。在 这类传感器中,光纤不仅起传光的作用,同时利用光纤在外界因素(弯曲 相变)的作用下,使其某些光学特性发生变化,对输入的光产生某种调制 作用,使在光纤内传输的光的强度、相位、偏振态等特性发生变化,从 而实现传和感的功能。因此,传感器中的光纤是连续的。 传感型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简单,传感型光纤 传感器的光纤是连续的,可以少用一些光耦合器件。但是,为了光纤能 接受外界物理量的变化,往往需要采用特殊光纤来作探头,这样就增加 了传感器制造 调制器 的难度。随着此愿 入射光纤 出射光纤 ~>→输出 对光纤传感器 基本原理的深 入研究和各种 持殊光纤的大 微奇曲 相位变化 偏据态 量问世,高灵 敏度的功能型 B 光纤传感器必 将得到更广泛 的应用。 传感型光纤传感器
传感型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光 纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。在 这类传感器中，光纤不仅起传光的作用，同时利用光纤在外界因素(弯曲、 相变)的作用下，使其某些光学特性发生变化，对输入的光产生某种调制 作用，使在光纤内传输的光的强度、相位、偏振态等特性发生变化，从 而实现传和感的功能。因此，传感器中的光纤是连续的。 传感型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简单，传感型光纤 传感器的光纤是连续的，可以少用一些光耦合器件。但是，为了光纤能 接受外界物理量的变化，往往需要采用特殊光纤来作探头，这样就增加 了传感器制造 的难度。随着 对光纤传感器 基本原理的深 入研究和各种 持殊光纤的大 量问世，高灵 敏度的功能型 光纤传感器必 将得到更广泛 的应用
3.光纤传感器的特点 光纤传感器有以下三大特点,因而得到广泛的应用 (1)光纤传感器具有优良的传光性能,传光损耗小。 (2)光纤传感器频带宽,可进行超高速测量,灵敏度和线性度好。 (3)光纤传感器体积很小,重量轻,能在恶劣环境下进行非接触式 非破坏性以及远距离测量。 五、光纤传感器的调制器原理 光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应,实现对外界被 测参数的“传”和“感”的功能。从图124和图125可知,光纤传感器 的核心就是光被外界输入参数的调制。研究光纤传感器的调制器,就是 研究光在调制区与外界被测参数的相互作用。外界信号可能引起光的某 些特性(如强度、波长、频率、相位、偏振态等)变化,从而构成强度 波长、频率、相位和偏振态等调制。下面将分别介绍几种常用的调制原 理
3．光纤传感器的特点 光纤传感器有以下三大特点，因而得到广泛的应用。 (1)光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗小。 (2)光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好。 (3)光纤传感器体积很小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、 非破坏性以及远距离测量。 五、光纤传感器的调制器原理 光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应，实现对外界被 测参数的“传”和“感”的功能。从图12-4和图12-5可知，光纤传感器 的核心就是光被外界输入参数的调制。研究光纤传感器的调制器，就是 研究光在调制区与外界被测参数的相互作用。外界信号可能引起光的某 些特性(如强度、波长、频率、相位、偏振态等)变化，从而构成强度、 波长、频率、相位和偏振态等调制。下面将分别介绍几种常用的调制原 理
1.强度调制 利用被测量的作用改变光纤中光的强度,再通过光强的变化来测量 被测量,称为强度调制。其原理如图12-6所示。 恒定光源的光波Ⅰn注入调制区,在外力场强Is的作用下,输 出光波的强度被Is所调制,载有外力场信息的出射光our的包络线与l 形状相同,光(强度)探测器的输出电流L(或电压)也反映出了作用力 场。同理,可以利用其他各种对光强的调制方式,如光纤位移、光栅、 反射式、微弯、模斑、斑图、辐射等来调制入射光,从而形成相应的调 制器。强度调制 是光纤传感器使 用最早的调制方光源 本 信号 法,其特点是技 入射光I D探测器 术简单可靠、价 强度调制 格低廉。可采用 多模光纤,光纤 的连接器和耦合 强度调制息理 器均已商品化。光源可采用LED和白炽灯等非相干光源,探测器一般用 光电二极管、三极管和光电池等
1．强度调制 利用被测量的作用改变光纤中光的强度，再通过光强的变化来测量 被测量，称为强度调制。其原理如图12-6所示。 当一恒定光源的光波I IN注入调制区，在外力场强Is的作用下，输 出光波的强度被Is所调制，载有外力场信息的出射光 IOUT 的包络线与Is 形状相同，光（强度）探测器的输出电流ID (或电压)也反映出了作用力 场。同理，可以利用其他各种对光强的调制方式，如光纤位移、光栅、 反射式、微弯、模斑、斑图、辐射等来调制入射光，从而形成相应的调 制器。强度调制 是光纤传感器使 用最早的调制方 法，其特点是技 术简单可靠、价 格低廉。可采用 多模光纤，光纤 的连接器和耦合 器均已商品化。光源可采用LED和白炽灯等非相干光源，探测器一般用 光电二极管、三极管和光电池等
1)微小的线性位移和角位移调制方法 这种调制方法使用两根光纤,一根为光的入射光纤,另一根为光被 调制后的出射光纤,如下图所示。两根光纤的间距为2~3m,端面为平 面,两者对置。通常入射光纤固定,外界作用(如压力、张力等)使得 出射光纤作横向或纵向位移或转动,于是出射光纤输出的光强被其位移 所调制。 若入射和出射光纤均采用相同性能的单模光纤,径向位移d与功率 耦合系数T之间存在下列关系: T=C 0 式中S为光纤 横向 纵向 中的光斑尺寸; T和d的关系为s 高斯型曲线。O s○ △D 这种调制方法 角度 差动 可以测量10um 以内的位移量。 光强小位移调制
(1)微小的线性位移和角位移调制方法 这种调制方法使用两根光纤，一根为光的入射光纤，另一根为光被 调制后的出射光纤，如下图所示。两根光纤的间距为2～3μm，端面为平 面，两者对置。通常入射光纤固定，外界作用（如压力、张力等）使得 出射光纤作横向或纵向位移或转动，于是出射光纤输出的光强被其位移 所调制。 若入射和出射光纤均采用相同性能的单模光纤，径向位移 d 与功率 耦合系数 T 之间存在下列关系： 2 0 2 S d T = c 式中S0为光纤 中的光斑尺寸； T和d的关系为 高斯型曲线。 这种调制方法 可以测量10μm 以内的位移量