光纤传感技术的应用及发展

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1、·18·光纤光缆传输技术2006生光纤传感技术的应用及发展张森王臻刘孟华(武汉职业技术学院光电子技术系武汉430074)(摘要]介绍了传光型与传感型光纤传感器的基本原理，阐述了强度调制型光纤传感器、干涉型光纤传感器、光纤光栅以及光纤声发射传感器的应用，指出我国光纤传感技术存在的问题以及发展方向。[关键词】光纤传感技术；强度调制型光纤传感器；干涉型光纤传感器1引言在光纤中间或端部加敏感元件。传光型光纤传感器主要由光源、光纤、光调制器、敏感元件、光电探测器近几年来，传感器的产量和年增长率均保持在和检测电路等组成。传光型光

2、纤传感器主要是强度1O％以上。目前全球从事传感器生产和研制的单位达调制型光纤传感器，其基本原理是被测物理量引起光5000多家。传感技术作为当今世界迅猛发展的技纤中的传输光光强I变化，通过检测光强I的变化实术之，其水平已经成为一个国家科学技术水平发展现对被测物理量的测量。强度调制的特点是简单、可的重要标志。近年来，传感器正朝着灵敏、精巧、适应靠和经济。强度调制的方式很多，目前主要采用反射性强、智能化、网络化方向发展。光纤传感技术是2O式强度调制和透射式强度调制。其调制原理分别如世纪7O年代末新兴的一项技术，在全世界已形

3、成研图1和图2所示。究热门，已与光纤通信并驾齐驱。作为传感家族的一移动反射器名新成员，光纤传感器由于其优越的性能而备受青睐。光纤传感器具有以下优点：体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度很高、测量带宽很宽、检测输入光纤像电子设备与传感器可以间隔很远以及可以构成传感网络等。特别是其灵敏度比传统传感器高几个数量级，可以测量压力、温度、应力(应变)、磁场、折射率、形变、微震动、微位移和声压等，已经实现的采用光纤传感技术测量的物理量达到70多种。圉1反射式强度调制原理圉2光纤传感器的基本原理由图1可以看出，通过移动反射器

4、改变d，进而改变输出光纤输出光强I的大小。光纤传感技术分为传光型光纤传感技术和传感y=I多劫搓暇光方向型光纤传感技术两类。光纤传感技术的核心是光纤I。／I光⋯··_-●⋯⋯⋯⋯·‘⋯···●⋯⋯⋯⋯传感器，相应地，光纤传感器也分为传光型光纤传感●：、‘‘轴器和传感型光纤传感器。发送光纤ld’接收光纤2．1传光型光纤传感器的基本原理图2透射式强度调制原理图传光型光纤传感器也称非功能型光纤传感器或强度调制型光纤传感器，光纤主要起传输光的作用，由图2可以看出，通过移动接收光纤方向改变发第4期光纤传感技术的应用及发展·l9-

5、送光纤与接收光纤端面重合面积的大小，进而改变接最大出射角；R为移动反射器的反射率；∈为光源种收光纤输出光强l的大小。类与光纤耦合情况有光的调制参数。2．2传感型光纤传感器的基本原理光强I。与I(d)的函数是高斯函数形式。若测量传感型光纤传感器也称功能型光纤传感器。光纤微位移，高斯函数边缘可近似看作直线，另外。光强I既传光又传感，还可充当敏感元件。对于传感型光纤的全部能量分布在一个圆锥的底面上，并且是均匀分传感器而言，当光波在光纤中传播时，被测物理量或布的。即有：外界因素作用在光纤上，使光纤中传输光波的振幅、IIo(2

6、)相位、波长和偏振态等发生改变。此过程为光波的调制，把调制后的光波经光纤传输到光电探测器解调后另外又有：转换成电信号输出。传感型光纤传感器的原理要比tg0=￡(3)传光型光纤传感器的原理复杂得多。由以上三个公式，式(1)可以简化为：传感型光纤传感器应用最多的是相位调制型光I=It，r'Ro纤传感器或者干涉型光纤传感器，1~1#1-界因素使光纤(4)中传输光波的相位发生改变，进而改变出射光(干涉在实际应用中，一般在移动反射器的表面镀一层光)的强度以达到测量目的。常用的传感型光纤传感反射膜或使用反射平面镜，使R0达到96

7、％以上，接器有Miehelsion干涉式光纤传感器、Mach—Zehnder干涉式光纤传感器、Fabry—Perot(F—P)干涉式光纤传感近1，就能得到输出光纤的接收光强I(d)与位移d之器、Sagnac干涉式光纤传感器和Fizeau干涉式光纤间的关系，而输出光纤的接收光强I(d)可以通过光传感器等。干涉型光纤传感器是光纤传感与测量技电检测器PIN检测出来，实现对位移的测量。术高精度测量中的最佳选择。3，1．2透射式强度调制型光纤传感器的应用在图2中，当移动接收光纤时，其接收到的光强3光纤传感技术的应用I大小不一样

8、。当两根光纤纤芯共光轴时，接收光纤接收到的光强最强。两光纤重合的面积(图中阴影部光纤传感技术的应用范围很广，涉及国民经济和分面积)越大，接收光纤接收到的光强越强，反之越国防事业等众多领域，尤其是能在恶劣的环境中使弱。接收光强I与输入光强I的函数形式均为对称用。光纤传感技术的目的是获得高的测量精度。但在分布的高斯函数，如图3所示。提高被测物理量精