光纤传感器基础知识

道被测参数的变化；另一种是以激光器或发光二极管为光源，用光导纤维作为光传输通道，把光信号载送入或载送出敏感元件，再与其他相应敏感元件配合而构成传感器。前者属于物性型传感器，后者属于结构型传感器。这两种传感器在自动测量系统中都有应用。
   发展背景  为了检测和处理种类繁多的信息，需要用传感器将被测量转换成便于处理的输出信号形式，并送往有关设备。在这个过程中采用光信号比电信号有很大的优越性。用光纤传输光信号,能量损失极小,而且光纤的化学性质稳定、横截面小，同时又具有防噪声、不受电磁干扰、无电火花、无短路负载和耐高温等优点。因此70年代末光纤通信技术兴起，光纤传感器也获得迅速发展。
   分类  光纤传感器按照使用的光纤不同，通常分为多模光纤传感器和单模光纤传感器两大类。光纤芯内折射率分布对传输频带宽度的影响很大。可以传输多种传输模的称为多模光纤，传输频带宽度可达30兆赫至数百兆赫。芯子与包层极细的一种光导纤维（芯子与包层间折射率差值很小）只能传输一种传输模，称为单膜光纤，传输频带宽度高达10吉赫。多模光纤传感器又分为传光型和光强调制型两种，单模光纤传感器则分为偏振调制型和相位调制型两种。
   ①  传光型光纤传感器  以多模光导纤维来传输光信号，根据光接受强度不同进行测量，而对被测参数起检测作用的是其他敏感元件。这种传感器多用于工业检测液位、压力、形变、温度、流速、电流、磁场等。它的优点是性能稳定可靠，结构简单，造价低廉，缺点是灵敏度低。图1[ 光纤液位传感器]

为光纤液位传感器的原理示意图。
   ②  光强调制型光纤传感器  在压力作用下光纤产生微弯变形导致光强度变化，从而引起光纤传输损耗的改变，并由吸收、发射或折射率变化来调制发射光，可制成微弯效应的光纤压力传感器（图2[ 微弯效应光纤压力传感器]

）。由于齿板的作用，在沿光纤光轴的垂直方向上加有压力时，光纤产生微弯变形，光波导方式改变，传输损耗增加。这种传感器具有较高的灵敏度。此外，利用光学编码盘配合光纤可制成数字式光纤压力传感器。

   ③  偏振调制型光纤传感器  单模光导纤维的偏振特性极易受到外界各种物理量的影响，如在高电场下的克尔效应和在强磁场下的法拉第效应，利用这一原理可制成大电流、高电压测试传感器（图3[ 偏振光面变化检测原理图]

）。

   ④  相位调制型光纤传感器  用单模光导纤维构成干涉仪，外界各种物理量的影响因素能导致光导纤维中光程的变化，从而引起干涉条纹的变动。图4[ 干涉仪式光纤温度传感器]

为干涉仪式光纤温度传感器的结构原理。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。外界温度（或压力、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，就可测量温度或压力等。这种传感器的优点是有极高的灵敏度，主要用于光纤陀螺、光纤水听器、动态压力和应变测量、机械振动测量等方面图5[光纤陀螺仪原理图]为光纤陀螺仪的基本光学系统图BS1、BS2是两个半透镜，激光透过BS1在BS2被分为两路,各自通过聚光镜分别沿着单模光导纤维环向左右两个方向进行。当两路光重新抵达BS2之后，便被导入同轴光路并在F1上产生干涉,然后求出环面在惯性空间的转速。两路光在BS1也被导入同轴光路，在F2产生的干涉也被用于计算转速。光纤陀螺无可动部件，能精确测量该系统相对于惯性空间的旋转速度，是一种高性能的惯性导航陀螺仪。

  参考书目  
袁希光主编：《传感器技术手册》，国防工业出版社，北京，1986。