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天津光纤传感器——五种光纤传感器的原理和应用

根据调制光波的不同特性参数,光纤传感器可分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。

1) 强度调制型光纤传感器的基本原理是被测物理量引起光纤之中透射光强的变化,通过检测光强的变化来实现被测测量。恒定光源发出的强度为I的光被注入传感头。在传感头之中,光的强度在被测信号的作用之下发生变化,即被外场调制,使得输出光强度的包络与被测信号的形状相同,并且由光电探测器测量的输出电流也被同样的方式调制。信号处理电路检测到调制信号之后,得到被测信号的个数。

这种传感器具有结构简单、成本低、易于实现等优点,因此得到了较早的开发和应用。目前已成功地应用于位移、压力、表面粗糙度、加速度、间隙、力、液位、振动、辐射等的测量,强度调制方式有多种,大致可分为反射强度调制、透射强度调制、光模式强度调制,折射率和吸收系数强度调制等。一般来说,反射强度调制、透射强度调制和折射率强度调制称为外调制,光学模式称为内调制。但由于原理的局限性,容易受到光源波动和接头损耗变化的影响,因此这种传感器只能在干扰源较小的情况之下使用。

2) 相位调制光纤传感器的基本原理是:在被测能量场的作用之下,光波在光纤之中的相位发生变化,然后通过干涉技术将相位变化转化为光强的变化,从而检测出被测物理量。相位调制光纤传感器具有灵敏度高、动态测量范围大、响应速度快等优点。其缺点是对光源要求高,检测系统精度高,成本相对较高。

目前主要应用领域有:光弹性效应的声、压、振传感器;磁致伸缩效应的电流、磁场传感器;电致伸缩效应的电场、电压传感器;segnac效应的旋转角速度传感器(光纤陀螺),等

3)调频光纤传感器的基本原理是利用运动物体的多普勒频移效应检测反射或散射光的速度,即光频率与光接收机与光源间的运动状态有关。当它们相对静止时,接收到光的振动频率;当它们间存在相对运动时,接收到的光频率随其振动频率而移动,频率移动的大小与相对运动速度的大小和方向有关。

因此,这种传感器主要用于测量物体的运动速度。还有一些其他的频率调制方法,如某些材料的吸收和荧光随外界参数频率的变化而变化,量子相互作用产生的布里渊和拉曼散射也是一种频率调制现象。它的主要应用是测量流体的流量,以及其他利用物质受到强光照射时的拉曼散射来测量气体浓度或监测空气污染的气体传感器,以及利用光致发光的温度传感器。

4)偏振态调制光纤传感器

基本原理是通过光偏振态的变化来传输被测物体的信息。

光波是一种横波,其光矢量与传播方向垂直。如果光波的矢量方向始终相同,但其大小随相位而变化,则这种光称为线偏振光。由光矢量和光传播方向组成的平面是线偏振光的振动面。如果光矢量的大小保持不变,并且其方向围绕传播方向均匀地旋转,则光矢量末端的轨迹是一个圆,这种光称为圆偏振光。如果光矢量的大小和方向有规律地变化,并且光矢量的末端沿椭圆旋转,则这种光称为椭圆偏振光。

根据光波的偏振特性,可以制作偏振调制光纤传感器。偏振态在许多光纤系统之中起着重要的作用,特别是在含有单模光纤的系统之中。许多物理效应会影响或改变光的偏振态,有些效应会引起双折射。所谓双折射现象,是指某些晶体在不同方向之上具有不同的光学性质,一个入射光往往分解成两个折射光。光通过双折射介质的相位延迟是输入光偏振态的函数。

偏振调制光纤传感器具有较高的检测灵敏度,可以避免光源强度变化的影响,与相位调制光纤传感器相比,结构简单,调节方便。其主要应用领域有:利用法拉第效应的电流和磁场传感器;利用气泡效应的电场和电压传感器;利用光弹性效应的压力、振动或声学传感器;利用双折射的温度、压力和振动传感器。目前,它主要用于监测强电流。

5) 波长调制光纤传感器

利用传感器探头的光谱特性随外界物理量的变化来实现传统的波长调制光纤传感器。

这些传感器大多不起作用。在波长调制型光纤探针之中,光纤被简单地用作光波导,即入射光被送到测量区域,返回的调制光被送到分析仪。光纤波长检测技术的关键是光源和光谱分析仪的良好性能,它对传感系统的稳定性和分辨率起着决定性的作用。

光纤波长调制技术主要应用于医药、化工等领域。如人体血气分析、pH值检测、指示剂溶液浓度化学分析、磷光和荧光现象分析、黑体辐射分析和法布里面-珀罗滤波器等。目前,波长调制光纤传感器主要是指光纤布拉格光栅传感器(FBG)。

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