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光纤传感器

光纤传感器

分类: 光通讯
属性: 产品
最后修改时间: 2013年05月25日
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  • 光纤传感器
通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号的传感器。光纤传感器的测量原理有两种:一种是被测参数引起光导纤维本身传输特性变化,即改变光导纤维环境如应变、压力、温度等,从而改变光导纤维中光传播的相位和强度,这时测量通过光导纤维的光相位或光强度变化,就可知道被测参数的变化;另一种是以激光器或发光二极管为光源,用光导纤维作为光传输通道,把光信号载送入或载送出敏感元件,再与其他相应敏感元件配合而构成传感器。前者属于物性型传感器,后者属于结构型传感器。这两种传感器在自动测量系统中都有应用。

概述

近年来,传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中,光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能,例如:抗电磁干扰和原子辐射的性能,径细、质软、重量轻的机械性能;绝缘、无感应的电气性能;耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等,它能够在人达不到的地方(如高温区),或者对人有害的地区(如核辐射区),起到人的耳目的作用,而且还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。

光纤传感器工作原理

光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器,使待测参数与进入调制区的光相互作用后,导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化,称为被调制的信号光,在经过光纤送入光探测器,经解调后,获得被测参数。

优点

一、灵敏度较高;

二、几何形状具有多方面的适应性,可以制成任意形状的光纤传感器;
 

三、可以制造传感各种不同物理信息(声、磁、温度、旋转等)的器件;
 

四、可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境;
 

五、而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。

应用

光纤传感器应用:磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。

分类

① 传光型光纤传感器 以多模光导纤维来传输光信号,根据光接受强度不同进行测量,而对被测参数起检测作用的是其他敏感元件。这种传感器多用于工业检测液位、压力、形变、温度、流速、电流、磁场等。它的优点是性能稳定可靠,结构简单,造价低廉,缺点是灵敏度低。图1[ 光纤液位传感器]为光纤液位传感器的原理示意图。

② 光强调制型光纤传感器 在压力作用下光纤产生微弯变形导致光强度变化,从而引起光纤传输损耗的改变,并由吸收、发射或折射率变化来调制发射光,可制成微弯效应的光纤压力传感器(图2[ 微弯效应光纤压力传感器])。由于齿板的作用,在沿光纤光轴的垂直方向上加有压力时,光纤产生微弯变形,光波导方式改变,传输损耗增加。这种传感器具有较高的灵敏度。此外,利用光学编码盘配合光纤可制成数字式光纤压力传感器。
 

③ 偏振调制型光纤传感器 单模光导纤维的偏振特性极易受到外界各种物理量的影响,如在高电场下的克尔效应和在强磁场下的法拉第效应,利用这一原理可制成大电流、高电压测试传感器(图3[ 偏振光面变化检测原理图])

④ 相位调制型光纤传感器 用单模光导纤维构成干涉仪,外界各种物理量的影响因素能导致光导纤维中光程的变化,从而引起干涉条纹的变动。图4[ 干涉仪式光纤温度传感器]

光纤传感器是最近几年出现的新技术,可以用来测量多种物理量,比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等,还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里,在强电磁干扰和高电压的环境里,光纤传感器都显示出了独特的能力。目前光纤传感器已经有70多种,大致上分成光纤自身传感器和利用光纤的传感器。

所谓光纤自身的传感器,就是光纤自身直接接收外界的被测量。外接的被测量物理量能够引起测量臂的长度、折射率、直径的变化,从而使得光纤内传输的光在振幅、相位、频率、偏振等方面发生变化。测量臂传输的光与参考臂的参考光互相干涉(比较),使输出的光的相位(或振幅)发生变化,根据这个变化就可检测出被测量的变化。光纤中传输的相位受外界影响的灵敏度很高,利用干涉技术能够检测出10的负4次方弧度的微小相位变化所对应的物理量。利用光纤的绕性和低损耗,能够将很长的光纤盘成直径很小的光纤圈,以增加利用长度,获得更高的灵敏度。

光纤声传感器就是一种利用光纤自身的传感器。当光纤受到一点很微小的外力作用时,就会产生微弯曲,而其传光能力发生很大的变化。声音是一种机械波,它对光纤的作用就是使光纤受力并产生弯曲,通过弯曲就能够得到声音的强弱。光纤陀螺也是光纤自身传感器的一种,与激光陀螺相比,光纤陀螺灵敏度高,体积小,成本低,可以用于飞机、舰船、导弹等的高性能惯性导航系统。如图就是光纤传感器涡轮流量计的原理。

光纤传感器流量计原理如下:

另外一个大类的光纤传感器是利用光纤的传感器。其结构大致如下:传感器位于光纤端部,光纤只是光的传输线,将被测量的物理量变换成为光的振幅,相位或者振幅的变化。在这种传感器系统中,传统的传感器和光纤相结合。光纤的导入使得实现探针化的遥测提供了可能性。这种光纤传输的传感器适用范围广,使用简便,但是精度比第一类传感器稍低。

光纤在传感器家族中是后起之秀,它凭借着光纤的优异性能而得到广泛的应用,是在生产实践中值得注意的一种传感器。

光纤传感器凭借着其大量的优点已经成为传感器家族的后起之秀,并且在各种不同的测量中发挥着自己独到的作用,成为传感器家族中不可缺少的一员。

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