光纖傳感器的工作原理
光纖傳感器的工作原理
光纖傳感器的工作原理?光纖傳感器的基本工作原理是：首先將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)以及進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用之后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生一定的變化。
光纖傳感器的工作原理
光纖傳感器是一種利用光學(xué)原理來檢測(cè)物理量的傳感器。它采用光纖作為傳感元件，將光信號(hào)通過光纖傳輸?shù)綑z測(cè)端，通過檢測(cè)信號(hào)的變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物理量的測(cè)量。光纖傳感器具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)、軍事和醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
光纖傳感器的工作原理基于光纖的傳輸特性和光學(xué)傳感技術(shù)。通常，光纖傳感器由光源、光纖、檢測(cè)器和信號(hào)處理器等組成。光源產(chǎn)生一定波長(zhǎng)的光信號(hào)，通過光纖傳輸?shù)綑z測(cè)端，由檢測(cè)器接收后將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過信號(hào)處理器進(jìn)行分析處理，得出被測(cè)物理量的數(shù)值。
在光纖傳感器中，光纖的傳輸特性對(duì)測(cè)量精度和可靠性起著關(guān)鍵作用。光纖的傳輸特性受到光纖材料、光纖結(jié)構(gòu)和光源等因素的影響。光纖材料一般采用石英玻璃或塑料，其折射率和衰減系數(shù)決定了光信號(hào)的傳輸速度和衰減程度。光纖的結(jié)構(gòu)包括單模光纖和多模光纖，其內(nèi)部的光線傳輸方式不同，對(duì)于不同的應(yīng)用需求可以選擇不同類型的光纖。光源的選擇也會(huì)對(duì)光纖傳輸特性產(chǎn)生影響，如光源波長(zhǎng)和功率等參數(shù)會(huì)影響光信號(hào)的傳輸距離和強(qiáng)度。
除了光纖傳輸特性，光學(xué)傳感技術(shù)也是光纖傳感器的關(guān)鍵之一。光學(xué)傳感技術(shù)利用光信號(hào)的干涉、散射、吸收等現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物理量的測(cè)量。例如，光纖陀螺儀利用光信號(hào)的干涉原理來測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度;光纖溫度傳感器利用光纖材料的熱致散射效應(yīng)來測(cè)量溫度;光纖壓力傳感器利用光纖的壓力敏感性來測(cè)量壓力等。
光纖傳感器對(duì)比傳統(tǒng)傳感器的優(yōu)點(diǎn)
(1)靈敏度高
由于光是一種波長(zhǎng)極短的電磁波，通過光的相位便得到其光學(xué)長(zhǎng)度。以光纖干涉儀為例，由于所使用的光纖直徑很小，受到微小的機(jī)械外力的作用或溫度變化時(shí)其光學(xué)長(zhǎng)度要發(fā)生變化，從而引起較大的相位變化。假設(shè)用10米的光纖，l℃的變化引起1000ard的相位變化，若能夠檢測(cè)出的最小相位變化為0.01ard，那么所能測(cè)出的最小溫度變化為l0℃，可見其靈敏度之高。
(2)抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖又是電絕緣、耐腐蝕的傳輸媒質(zhì)，并且安全可靠，這使它可以方便有效地用于各種大型機(jī)電、石油化工、礦井等強(qiáng)電磁干擾和易燃易爆等惡劣環(huán)境中。
(3)測(cè)量速度快
光的傳播速度最快且能傳送二維信息，因此可用于高速測(cè)量。對(duì)雷達(dá)等信號(hào)的分析要求具有極高的檢測(cè)速率，應(yīng)用電子學(xué)的方法難以實(shí)現(xiàn)，利用光的衍射現(xiàn)象的高速頻譜分析便可解決。
(4)信息容量大
被測(cè)信號(hào)以光波為載體，而光的頻率極高，所容納的頻帶很寬，同一根光纖可以傳輸多路信號(hào)。
(5)適用于惡劣環(huán)境
光纖是一種電介質(zhì)，耐高壓、耐腐蝕、抗電磁干擾，可用于其它傳感器所不適應(yīng)的惡劣環(huán)境中。
光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)
1、電絕緣性能好，安全可靠：光纖本身是由電介質(zhì)構(gòu)成的，適宜于在易燃易爆的油、氣、化工生產(chǎn)中使用。
2、抗電磁干擾：一般電磁輻射的頻率比光波低許多，所以在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)不受電磁干擾的影響。
3、體積小、重量輕，幾何形狀可塑。
4、傳輸損耗小，傳輸容量大：可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控監(jiān)測(cè)和多點(diǎn)分布式測(cè)量
5、耐腐蝕，化學(xué)性能穩(wěn)定：由于制作光纖的材料——石英具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，因此光纖傳感器適宜于在較惡劣環(huán)境中使用。
6、傳感器端無需供電，是無源器件，將傳輸與傳感集合到一體。
光纖傳感器選型方法
1、根據(jù)測(cè)量對(duì)象和環(huán)境確定類型
要認(rèn)真分析測(cè)量工作，考慮采用哪種原理的傳感器進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)榧词箿y(cè)量同一物理量，也可以通過不同的原理實(shí)現(xiàn)。其次就得考慮量程、體積(空間是否足夠)、安裝方式、信號(hào)類型(模擬還是數(shù)字信號(hào))、測(cè)量方式(直接測(cè)量還是間接測(cè)量)等等。
2、光纖傳感器精度
傳感器的精度等級(jí)關(guān)乎到整個(gè)系統(tǒng)精度，是一個(gè)非常重要的參數(shù)。一般，精度越高，價(jià)格越貴。所以我們選擇的時(shí)候，得從整體考慮，適合自己的才是最好的，不要一味追求所謂的高精度，除非在需要定量測(cè)量精確值的場(chǎng)合，我們才選用精度等級(jí)高些的傳感器。
3、靈敏度的選擇
靈敏度指輸出量的增量與相應(yīng)的輸入量增量之比。我們得正確認(rèn)識(shí)該參數(shù)，它分為兩方面：1、在線性范圍內(nèi)，靈敏度高，輸出信號(hào)值比較大，這是優(yōu)點(diǎn)。2、靈敏度高，與測(cè)量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，在處理過程中，影響精度。
4、線性范圍
線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍，所以我們都希望線性范圍越寬越好，線性范圍越寬，量程就大，精度就高。但是任何傳感器的線性范圍都是相對(duì)的。我們只需要把測(cè)量量估算好，以便在線性范圍內(nèi)。
5、頻率響應(yīng)特性
在測(cè)量過程中，傳感器的輸出總有一定的延遲，跟實(shí)際值也有一定的差別。所以我們希望頻率響應(yīng)快一點(diǎn)，這樣延遲時(shí)間就短一點(diǎn)。但由于受到結(jié)構(gòu)等特性的影響，頻率也難以提高。
6、穩(wěn)定性
穩(wěn)定性指使用時(shí)間長(zhǎng)了以后，其性能還能維持不變的能力。影響穩(wěn)定性的因素除自身原因外，主要是環(huán)境因素。因此，選用的傳感器要具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，適當(dāng)?shù)臅r(shí)候還得采取保護(hù)措施。
光纖傳感器的分類
光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(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)光，在經(jīng)過光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。
光纖傳感器按傳感原理可分為功能型和非功能型。功能型光纖傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，所以也稱傳感型光纖傳感器或全光纖傳感器。非功能型光纖傳感器是利用其他敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為傳輸介質(zhì)，傳輸來自遠(yuǎn)處或難以接近場(chǎng)所的光信號(hào)，所以也稱為傳光型傳感器或混合型傳感器。
光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)不同又可分為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器、相位調(diào)制光纖傳感器、頻率調(diào)制光纖傳感器、偏振調(diào)制光纖傳感器和波長(zhǎng)(顏色)調(diào)制光纖傳感器。光纖傳感器按被測(cè)對(duì)象的不同，又可分為光纖溫度傳感器、光纖位移傳感器、光纖濃度傳感器、光纖電流傳感器、光纖流速傳感器等。