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(cè)量物理量

　　光纖傳感器的基本工作原理是將來(lái)自光源的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)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(zhǎng)、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(guò)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)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(guò)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(wú)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；

　?。?） 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(jiàn)，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(wú)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。

　?。?） 功能型光纖傳感器是利用光纖本身的特性隨被測(cè)量發(fā)生變化的一種光纖傳感器。例如，將光纖置于聲場(chǎng)中，則光纖纖芯的折射率在聲場(chǎng)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(cè)出來(lái)，就可以知道聲場(chǎng)的強(qiáng)度。

　?。?） 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(lái)感受被測(cè)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(chǎng)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(chǎng)、磁場(chǎng)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(cè)出通過(guò)光纖的光相位、光強(qiáng)變化。就可以知道被測(cè)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(cè)元件與光纖傳翰回路及測(cè)量電路組成的測(cè)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(chǎng)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(cè)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(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)論是在電量（電流、電壓、磁場(chǎng)）的測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(guò)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(cè)量，具體內(nèi)容如表1所示。