光纤传感器组成及基本原理
光发送器、光接收器、敏感元件、光导纤维及信号处理系统是构成光纤传感器的几个重要组成部分。有些光纤传感器中，光无源器件也作为光线传感器的重要组成部分。光无源器件按照功能上归类可以分为光衰减器件、光功率分配器件、光连接器件、光隔离器件、光开关器件等。光无源器件在工作过程中不需要任何外部元器件的帮助，依靠自身的性能就可以独立完成某种光学功能。 光纤传感器的基本原理是将光源发出的光经光纤送入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的强度、频率、相位、偏振等发生变化成为被调制的信号光，再经光纤送入光探测器、解调器而获得被测物理量。
图1 光纤传感器原理 光纤传感器可以按传感原理分为两类 , 一类称为功能型传感器,它的光纤对被测信号兼有敏感和传输的作用,即它具有传与感合一的特点。另一类称为非功能型传感器,它的光纤仅起传输的作用 , 而对被测信号的感觉则是利用其他光学敏感元件来完成的。光纤传感器还可以按光波在光纤中被调制的原理分为:强度调制型，相位调制型，频率调制型几种形式 。 1. 强度调制型传感器 它是利用被测物理量直接或间接对光纤中传输的光进行强度调制其工作原理如图 2 所示。 由于光的损耗除与光传导、反射、弯曲有关外，还与其它一些现象如：吸收、散射、荧光有关，所以这些机理都可用于该类传感器。
图2 强度调制型光纤传感器原理
利用一些被测量引起光纤中光相位变化的原理组成的传感器，具有灵活、多样的特点。 光纤测温传感器就是利用光纤内传输的相位随温度参数改变而改变的原理制成的，光信号相位随温度的变化，是由于光纤材料的尺寸和折射率随温度改变而引起的。 相位的变化 △Ф 与温度变化 △T 的关系为：
式中 α-线膨胀系数；l-光纤的长度；δn/δT-折射率温度系数；n-纤芯平均折射率；λ-自由空间光波长；δβ/δα-传播常数与纤芯半径的变化率。由此可见，只要利用适当的仪器检出光纤中光信号相位的变化就可以测定温度。 由于应变或压力也会改变光纤的传输特性，使光信号相位变化，同理也可以检测应变和压力。 相位调制式传感器则通常采用两根光纤，敏感光纤与参考光纤，比较两根光纤中光的相位即可检测被测量，这种器件也叫做干涉仪。 比较相位的方法具有极高的灵敏度，因而，相位调制式传感器比强度调制式传感器灵敏度高得多，动态范围也较大。 相位调制式传感器采用细芯光纤，即：单模光纤，它使用光干涉技术检测压力、旋转和磁场，图 2 中示出了马赫一泽德（Mach —Zehnder ）干涉仪原理的传感器。 激光源发出的光束通过分光镜分成两束，一束送入参考光纤，另一束送入敏感光纤。 敏感光纤置于扰动环境中，如果敏感光纤在外部影响下长度或折射率发生变化， 则两束光在重合时相位要发生变化，产生干涉。 在光重合时，如果两束相位相同，光强增加，称之为相长干涉。 如果相位不同，光强减弱，称之为相消干涉。 通过检测干涉后的光强从而达到检测的目的。 3. 频率调制式光纤传感器 采用频率调制技术可以对有限的几个物理量进行测量。它主要是利用运动物体的反射或散射光的多普勒频移效应来检测其运动速度。 |
