光纤传感器

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　　光纤传感器是以光学量转换为基础，以光信号为变换和传输的载体，利用光导纤维输送光信号的一种传感器。光纤传感器主要由光源、光导纤维(简称光纤)、光检测器和附加装置等组成。光源种类很多，常用光源有钨丝灯、激光器和发光二极管等。光纤很细、较柔软、可弯曲，是一种透明的能导光的纤维。光纤之所以能进行光信息的传输，是因为利用了光学上的全反射原理，即入射角大于全反射的临界角的光都能在纤芯和包层的界面上发生全反射，反射光仍以同样的角度向对面的界面入射，这样，光将在光纤的界面之间反复地发生全反射而进行传输。附加装置主要是一些机械部件，它随被测参数的种类和测量方法而变化。^[1]

　　光纤传感器的特点有：

　　(1)探测和传输的光信号不受微波和电磁波的干扰，它可置于高温、高压、强电磁场、易燃、易爆和强放射性环境中。可实现远距离监测。目前已研制出几千米长的光纤荧光测量装置。

　　(2)光纤本身绝缘，且光纤及其探头可做得很小而且柔软，可直接插入活体组织内，并能作长时间监测，如监测血液、细胞等。

　　(3)应用多波长和时间分辨技术，能制造出同时对两种或两种以上组分响应的光纤传感器，实现多组分同时测定。

　　(4)光度分析中的显色剂、荧光试剂、化学发光试剂、固定化酶等都可作为光纤传感器的固定试剂相，试剂相也可固定在适当基底上，不与光纤端直接接触，便于更换。

　　(5)属于非破坏性分析，不会引起试液变化。

　　光纤传感器存在的问题：

　　(1)环境中的光线对测量产生干扰，样品测试需在暗处进行；

　　(2)光在光纤中的传播会产生强度损失；

　　(3)试剂相稳定时间不够长，动态范围窄。

　　光纤传感器一般由光源、光纤和光探测器三部分组成，如图所示。图(a)为功能型(也称传感型)传感器，它是利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器，图(b)和图(c)为非功能型(也称传光型)传感器，由于光纤只起传输光波的作用，必须在光纤端面或中间加装其他敏感元件才能构成传感器。在图(b)中，将敏感元件置于入射与接收光纤中间，在被测对象的作用下，或使敏感元件遮断光路，或使敏感元件的光透射率发生变化，这样，光探测器所接收的光量便成为被测对象调制后的信号；在图(c)中，光纤一端设置“敏感元件+发光元件”的组合部件，敏感元件受被测对象的作用并将其变换为电信号后作用于发光元件，而发光元件的发光强度作为测量所得的信息。

　　按光纤在传感器中的作用不同，光纤传感器一般分为传光型和传感型两大类。

　　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，如图所示。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，所以采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，如图所示。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特殊光纤的大量问世，高灵敏度的传感型光纤传感器必将得到更广泛的应用。

　　光纤传感器应用的场合很多，工作原理也各不相同，但都离不开光的调制和解调两个环节。光调制就是把某一被测信息加载到传输光波上，这种承载了被测量信息的调制光再经光探测系统解调，便可获得所需检测的信息。原则上说，只要能找到一种途径，把被测信息叠加到光波上并能解调出来，就构成了光纤传感器的一种应用。常用的光调制有强度调制、相位调制、频率调制及偏振调制等几种。下面以光纤压力传感器为例简要说明光纤传感器韵应用。

　　光纤传感器中光强度调制的基本原理可简述为以被测对象所引起的光强度变化，来实现对被测对象的检测。

　　图所示为一种按光强度调制原理制成的光纤压力传感器结构。这种压力传感器的工作原理如下。

　　(1)被测力作用于膜片，膜片感受到被测力而向内弯曲，使光纤与膜片间的气隙减小，棱镜与光吸收层之间的气隙发生改变。

　　(2)气隙发生改变引起棱镜界面上全内反射的局部破坏，造成一部分光离开棱镜的上界面，进入吸收层并被吸收，致使反射回接收光纤的光强减小。

　　(3)接收光纤内反射光强度的改变可由桥式光接收器检测出来。

　　(4)桥式光接收器输出信号的大小只与光纤和膜片间的距离和膜片的形状有关。

　　光纤压力传感器的响应频率相当高，如厚度为0.65mm的不锈钢膜片，其固有频率可达128 kHz。因此在动态压力测量中也是比较理想的传感器。

　　光纤压力传感器在工业中具有广泛的应用前景。它与其他类型的压力传感器相比，除抗电磁干扰、响应速度快、尺寸小、质量轻及耐热性好等优点外，还特别适合于防爆要求的场合使用。