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光纤传感器结构原理

作者:dolphin时间:2012-10-31

我们知道,以电为基础的传统传感器是一种把测址的状态转变为可测的电信号的装置,是由电源、敏感元件、信号接收和信号处理以及导线组成,如图7-29所示。光纤传感器则是一种把被测最的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成,如图7-30所示。由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。在这里,光的某一性质受到被渊量的调制,已调光经接收光纤祸合到光接收器,使光信号变为电信号。最后经信号处理系统处理得到我们所期待的被测量。


由图7-29,图7-30可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较,在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机一电测贫为基础,而光纤传感器则以光学测量为基础。下面,简单地分析光纤传感器光学测量的基本原理。
从本质上分析,光就是一种电磁波,其波长范围从极远红外的1 mm到极远紫外线的10nm.电磁波的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此,在讨论光的敏感测量时必须考虑光的电矢最E的振动。通常用下式表示:

  式中,A为电场E的振幅矢量;ω为光波的振动频率;ψ为光相位;t为光的传播时间。
由式(7-18)可见,只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参最之一随被测量状态的变化而变化,或者说受被渊量调制。那么,我们就有可能通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调,获得我们所需要的被测量的信息。
2.光纤传感器的类型
光纤传感器是基于被测信号对于在光导纤维及其组件中传输的可见光或红外线的调制作用来实现测量的,依其工作原理可大致分为以下两种类型:
1)传感型
传感型又称功能型。它是以光纤本身作为敏感元件,使光纤兼有感受和传递被测估息的作用。对功能型光纤的要求是必须对于外界因素(如沮度、压力、电场、磁场、……)的作用敏感,在传输过程中又要保持光纤受感后所产生的特殊相位、波长及偏振态等特征。这种类型的特点是作为敏感元件的光纤长度可较长,检测灵敏度较高,但对所使用的光学部件要求较高,容易受到环境条件的千扰,在使用中必须十分注意。
2)传光型
传光型又称非功能型.它是把由被测对象所调制的光信号输人光纤.通过在输出端进行光信号处理而进行测量的。在这种传感器中,光纤仅作为被调制光的传输线路使用。由于这种应用类型的传输功能和调制功能是分开的,所以结构简单、容易制作,可靠性高,应用领域宽,易于实用化。对于非功能型光纤的主要要求是必须具有较强的受光本领,以提高它与光敏探测元件之间的栖合效率。因此,通常采用数值孔径和纤芯直径较大的多模光纤。
光纤检测系统通常是山光纤波导、激光源、光电探渊器及信号处理、显示、记录装置等组合而成的系统.它具有一系列特点:由干光纤体积小、重量轻、可塑性好,因此可以进人小孔和缝隙等难以探测到的地方进行小面积范围内的检测,而且对被测场的扰动很小;由于光纤的绝缘性能和耐热性能好,不受电磁干扰,因此适于在高温、高电压的场合及许多较恶劣的工业环境中使用;光纤传感器的灵敏度高,动态范围大,可实现远距离测量和控制,并可与计算机连接实现智能化。



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