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光纤传感的基本原理与应用

发布时间:2020-11-06 08:37:42 浏览量:382 作者:Wilson

摘要

光纤传感技术是伴随光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为介质、传感和传输外界信号(被测量)

的新型传感技术。光纤传感器始于1977年,经过了几十年的研究,光纤传感取得了积极的进展,目前处于研究和应用并存的阶段。它

对军事、航天航空技术和生命科学等的发展起着重要的作用。随着新兴学科的交叉渗透,它将会出现更广阔的应用前景。

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摘要:光纤传感技术是伴随光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为介质、传感和传输外界信号(被

测量)的新型传感技术。光纤传感器始于1977年,经过了几十年的研究,光纤传感取得了积极的进展,目前处于研究和应用并存的阶

段。它对军事、航天航空技术和生命科学等的发展起着重要的作用。随着新兴学科的交叉渗透,它将会出现更广阔的应用前景。


一、光纤传感器基本工作原理

国家标准GB 7665——1987对传感器(Transducer/Sensor)的定义是:能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器

件或装置。光纤传感器(Optical Fiber Sensor,OFS)的基本工作原理如下图,将来自光源的光经过光纤送入调制器,使被测量与输

入调制器的光相互作用,导致光的某些特性(如强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化,成为调制光,在经过光纤送入光探测

器,经解调器解调后获得被测量。

图1.光纤传感器的基本工作原理


光纤传感包含对被探测量的感知和传输两种功能。所谓感知(或敏感),是指被测量按照其变化规律使光纤中传输的光波特征参量,如

强度(振幅)、波长、频率、相位和偏振态等发生变化,测量光参量的变化即可“感知”被测量的变化。这种“感知”实质上是被测量对光

纤中传播的光波实施调制。所谓传输,是指光纤将受被测量调制的光波传输到探测器进行检测。将被测量从光波中提取出来并按需求进

行数据处理,也就是解调。因此,光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术,即被测量如何调制光纤中的光波参量的调制技术(或加

载技术)及如何从已被调制的光波中提取被测量的解调技术(或检测技术)。


二、光纤传感对光纤的要求

由于光纤传感器种类繁多,性能各异,对所用光纤提出了各种各样的要求,因此与光纤通信相比,光纤传感器系统中用到的光纤种

类多,且复杂。


一般在非功能型光强度调制光纤传感器中,由于光纤只起传输光波的作用,同时光纤传感器所需光纤长度较短,对色散和损耗特性要求

不高,所以采用通用的单模光纤或多模光纤就能满足要求。有时,为了提高传感器的灵敏度,而增大光纤传输的光功率,可采用大芯径

或大数值孔径光纤,甚至采用光纤传光束或者塑料光纤,以提高与光源的耦合效率。在相位调制型光纤传感器中,为了获得测试光信号

与参考光信号间高的相干度,而采用保偏光纤,使测试光纤与参考光纤输出光信号的振动方向一致。而在偏振调制型光纤传感器中,要

求光信号的偏振态能敏感外界被测量的变化,则必须使光纤的线双折射尽量低,如低双折射液芯光纤。在分布式光纤传感器中,为了测

量不同点的参量,可采用掺杂(如某些稀土元素或过渡金属离子)光纤或光栅光纤等。


 

图2.光纤传感器的内信号的变化情况


结语:根据光纤传感的工作原理可知,光纤传感器系统主要由光源、光纤、调制器(传感头)、光探测器和信号调理电路等部分构

成。光纤传感器研究的主要内容是如何实现对被测量的调制与解调,但设计光纤传感器系统时必须了解光源、光探测器以及传感器用光

纤的相关知识,实现对光纤传感器用光源、光探测器及光纤的基本知识,实现对光纤传感器用光源、光探测器及光纤的基本特性。


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