光纖傳感器解析，光線傳感器的結(jié)構(gòu)原理、工作原理、分類及其可測量物理量

　　光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光信號(hào)經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)源，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。

　　傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：具有抗電磁和原子輻射干擾的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能；絕緣、無感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)），或者對(duì)人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

　　光線傳感器的結(jié)構(gòu)原理

　　光纖的結(jié)構(gòu)

　　基本采用石英玻璃，有不同摻雜，主要由三部分組成，如圖1所示。

　　中心——纖芯；

　　外層——包層；

　　護(hù)套——尼龍料。

　　光纖傳感器的原理

　　光纖的傳播基于光的全反射。當(dāng)光線以不同角度入射到光纖端面時(shí)，在端面發(fā)生折射后進(jìn)入光纖，如圖2所示。

　　原理分析：

　　（1） 光線在光纖端面入射角θ減小到某一角度θc時(shí)，光線全部反射；

　　（2） 只要θ＜θc，光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出。

　　為保證全反射，必須滿足全反射條件（即θ＜θc）實(shí)現(xiàn)全反射的臨界入射角為：

　　可見，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性質(zhì)（N1、N2）決定的，與光纖的幾何尺寸無關(guān)。

　　按光纖的作用，光纖傳感器可分為功能型和傳光型兩種。

　　（1） 功能型光纖傳感器是利用光纖本身的特性隨被測量發(fā)生變化的一種光纖傳感器。例如，將光纖置于聲場中，則光纖纖芯的折射率在聲場作用下發(fā)生變化，將這種折射率的變化作為光纖中光的相位變化檢測出來，就可以知道聲場的強(qiáng)度。

　　（2） 功能型光纖傳感器既起著傳輸光信號(hào)作用，又可作敏感元件，所以又稱為傳感型光纖傳感器。傳光型光纖傳感器是利用其他敏感元件來感受被測量變化一種光纖傳感器，傳光型光纖傳感器則僅起傳輸光信號(hào)作用，所以也稱為非功能型光纖傳感器。

　　光纖傳感器的特點(diǎn)

　　光纖傳感器具有以下一些特點(diǎn)：

　　1.不受電磁場的干擾

　　2.絕緣性能高

　　3.防爆性能好，耐腐蝕

　　4.導(dǎo)光性能好

　　5.光纖細(xì)而柔軟

　　光纖傳感器的工作原理

　　（1）光纖傳感器的工作原理

　　光纖傳感器分為物性型與結(jié)構(gòu)型兩類。

　　①物性型光纖傳感器原理。物性型光纖傳感器是利用光纖對(duì)環(huán)境變化的敏感性，將翰入物理量變換為調(diào)制的光信號(hào)。其工作原理基于光纖的光調(diào)制效應(yīng)，即當(dāng)外界環(huán)境因素（如溫度、壓力、電場、磁場等）改變時(shí)，光纖傳光特性（如相位與光強(qiáng)）會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。因此，如果能測出通過光纖的光相位、光強(qiáng)變化。就可以知道被測物理量的變化。這類傳感器又稱為敏感元件型或功能型光纖傳感器。

　　②結(jié)構(gòu)型光纖傳感器原理。結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是由光檢測元件與光纖傳翰回路及測量電路組成的測量系統(tǒng)。其中，光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。

　　（2）光纖傳感器的應(yīng)用

　　光纖傳感器具有不受電磁場干擾、傳輸信號(hào)安全、高精度、高速度、高密度、可實(shí)現(xiàn)非接觸測量，而且具有高靈敏度、適應(yīng)各種惡劣環(huán)境下使用以及非破壞性和使用簡便等優(yōu)點(diǎn)。無論是在電量（電流、電壓、磁場）的測量方面，還是在非電量（位移、溫度、壓力、速度、加速度、液位、流量等）的測量方面，都取得了驚人的進(jìn)展。

　　圖4.41所示為光纖流速傳感器，主要由多模光纖、光源、銅管、成。多模光纖插入順流而置的銅管中，光電二極管及測量電路組模式光的相位發(fā)生變化流體的流動(dòng)使光纖發(fā)生機(jī)械變形，導(dǎo)致光纖中傳播的各使光纖的發(fā)射光強(qiáng)發(fā)生變化。其振幅的變化與流速成正比例。

　　光纖傳感器的分類和可測量的物理量

　　按所利用的不同的光學(xué)現(xiàn)象，光纖傳感器可分為干涉型和非干涉型，可通過相位，頻率，強(qiáng)度和偏振調(diào)制等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物理量的測量，具體內(nèi)容如表1所示。