通過光導纖維把輸入變數轉換成調製的光信號的感測器。光纖傳感器的測量原理有兩種:一種是被測參數引起光導纖維本身傳輸特性變化,即改變光導纖維環境如應變、壓力、溫度等,從而改變光導纖維中光傳播的相位和強度,這時測量通過光導纖維的光相位或光強度變化,就可知道被測參數的變化;另一種是以雷射器或發光二極體為光源,用光導纖維作為光傳輸通道,把光信號載送入或載送出敏感元件,再與其他相應敏感元件配合而構成感測器。前者屬於物性型感測器,後者屬於結構型感測器。這兩種感測器在自動動測量系統中都有應用。

  發展背景 為瞭檢測和處理種類繁多的信息,需要用傳感器將被測量轉換成便於處理的輸出信號形式,並送往有關設備。在這個過程中采用光信號比電信號有很大的優越性。用光纖傳輸光信號,能量損失極小,而且光纖的化學性質穩定、橫截面小,同時又具有防噪聲、不受電磁幹擾、無電火花、無短路負載和耐高溫等優點。因此70年代末光纖通信技術興起,光纖傳感器也獲得迅速發展。

  分類 光纖傳感器按照使用的光纖不同,通常分為多模光纖傳感器和單模光纖傳感器兩大類。光纖芯內折射率分佈對傳輸頻帶寬度的影響很大。可以傳輸多種傳輸模的稱為多模光纖,傳輸頻帶寬度可達30兆赫至數百兆赫。芯子與包層極細的一種光導纖維(芯子與包層間折射率差值很小)隻能傳輸一種傳輸模,稱為單膜光纖,傳輸頻帶寬度高達10吉赫。多模光纖傳感器又分為傳光型和光強調制型兩種,單模光纖傳感器則分為偏振調制型和相位調制型兩種。

  ① 傳光型光纖傳感器 以多模光導纖維來傳輸光信號,根據光接受強度不同進行測量,而對被測參數起檢測作用的是其他敏感元件。這種傳感器多用於工業檢測液位、壓力、形變、溫度、流速、電流、磁場等。它的優點是性能穩定可靠,結構簡單,造價低廉,缺點是靈敏度低。圖1為光纖液位傳感器的原理示意圖。

  ② 光強調制型光纖傳感器 在壓力作用下光纖產生微彎變形導致光強度變化,從而引起光纖傳輸損耗的改變,並由吸收、發射或折射率變化來調制發射光,可制成微彎效應的光纖壓力傳感器(圖2)。由於齒板的作用,在沿光纖光軸的垂直方向上加有壓力時,光纖產生微彎變形,光波導方式改變,傳輸損耗增加。這種傳感器具有較高的靈敏度。此外,利用光學編碼盤配合光纖可制成數字式光纖壓力傳感器。

  ③ 偏振調制型光纖傳感器 單模光導纖維的偏振特性極易受到外界各種物理量的影響,如在高電場下的克爾效應和在強磁場下的法拉第效應,利用這一原理可制成大電流、高電壓測試傳感器(圖3)。

  ④ 相位調制型光纖傳感器 用單模光導纖維構成幹涉儀,外界各種物理量的影響因素能導致光導纖維中光程的變化,從而引起幹涉條紋的變動。圖4為幹涉儀式光纖溫度傳感器的結構原理。激光器的點光源光束擴散為平行波,經分光器分為兩路,一為基準光路,另一為測量光路。外界溫度(或壓力、振動等)引起光纖長度的變化和相位的光相位變化,從而產生不同數量的幹涉條紋,對它的模向移動進行計數,就可測量溫度或壓力等。這種傳感器的優點是有極高的靈敏度,主要用於光纖陀螺、光纖水聽器、動態壓力和應變測量、機械振動測量等方面。圖5為光纖陀螺儀的基本光學系統圖。BS1、BS2是兩個半透鏡,激光透過BS1在BS2被分為兩路,各自通過聚光鏡分別沿著單模光導纖維環向左右兩個方向進行。當兩路光重新抵達BS2之後,便被導入同軸光路並在F1上產生幹涉,然後求出環面在慣性空間的轉速。兩路光在BS1也被導入同軸光路,在F2產生的幹涉也被用於計算轉速。光纖陀螺無可動部件,能精確測量該系統相對於慣性空間的旋轉速度,是一種高性能的慣性導航陀螺儀。

  

參考書目

 袁希光主編:《傳感器技術手冊》,國防工業出版社,北京,1986。