光纤传感器-精品课程——传感器与检测技术.pdf

第9 章 光纤传感器 光纤传感器是 20 世纪 70 年代中期迅速发展起来的一种新型传感器，它是光纤和光通信 技术迅速发展的产物。它以光学测量为基础，把被测量的变量状态转换为可测的光信号；但 与常规传感器把被测量的变量状态转变为可测的电信号不同。光纤传感器作为一个新的技术 领域，将不断改变传感器的面貌，并在各个领域获得广泛应用。 光纤传感器与常规的传感器相比，具有如下的优点： ① 抗电磁干扰能力强。 由于光纤传感器利用光传输信息， 而光纤是电绝缘、 耐腐蚀的， 因此它不易受周围电磁场的干扰； 而且电磁干扰噪声的频率与光波频率相比较低， 对光波无 干扰；此外，光波易于屏蔽，所以外界的干扰也很难进入光纤中。 ② 灵敏度高。很多光纤传感器都优于同类常规传感器，有的甚至高出几个数量级。 ③ 电绝缘性能好。光导纤维一般是用石英玻璃制作的，具有 80kV/20cm 耐高压特性。 ④ 重量轻，体积小，光纤直径仅有几十微米至几百微米。即使加上各种防护材料制成 的光缆，也比普通电缆细而轻。所以，光纤柔软、可绕性好，可深入机器内部或人体弯曲的 内脏进行检测，也能使光能沿需要的途径传输。 ⑤ 适于遥控。可利用现有的光能技术组成遥测网。 ⑥ 耐腐蚀，耐高温。 因此， 光纤传感器可广泛应用于位移、 速度、 加速度、 压力、 温度、 液位、 流量、 水声、 电声、磁场、放射性射线等物理量的测量。 光纤传感器种类繁多， 应用范围极广， 发展极为迅速。 到目前为止，已相继研制出六七 十种不同类型的光纤传感器。本章选择其中典型的几种加以简要的介绍。 9.1 光纤传感器的原理结构及种类 9.1.1 光纤传感器的原理 光纤传感器的构成示意图如图 9.1 所示。它由光发送器、敏感元件、光接收器、信号处 理系统及光导纤维等主要部分所组成。 由光发送器发出的光， 经光纤引导到调制区， 被测参 数通过敏感元件的作用，使光学性质（如光强、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化， 成为被调制光， 再经光纤送到光接收器， 经过信号处理系统处理而获得测量结果。 在检测过 程中，用光作为敏感信息的载体，用光导纤维作为传输光信息的媒质。 由图 9.1 可知，光纤传感系统的基本原理是：光纤中光波参数（如光强、频率、波长、 相位以及偏振态等） 随外界被测参数的变化而变化， 所以， 可通过检测光纤中光波参数的变 化以达到检测外界被测物理量的目的。 图 9.1 光纤传感器构成示意图 9.1.2 光纤的结构 光纤是一种传输光信息的导光纤维， 主要由 高强度石英玻璃、 常规玻璃和塑料制成。 它的结 构很简单， 如图 9.2 所示，由导光的芯体玻璃 （简 称纤芯）和包层组成， 纤芯位于光纤的中心部位， 其直径约为 5～ 100 m，包层可用玻璃或塑料制 图 9.2 光纤的基本结构 成，两层之间形成良好的光学界面。 包层外面常 有塑料或橡胶外套，可保护纤芯和包层并使光纤具有一定的机械强度。 光主要在纤芯中传输， 光纤的导光能力主要取决于纤芯和包层的性质， 即它们的折射率。 纤芯的折射率 n 稍大于包层的折射率 n ，典型的数量值是 n 1 2 1=1.46～ 1.51，n2 =1.44～ 1.50； 而且纤芯和包层构成一个同心圆双层结构。 所以，可以保证入射到光纤内的光波集中在光芯 内传输。 9.1.3 光纤的种类