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光纖傳感器是將光作為信息載體,把光纖作為傳播介質進行傳遞的傳感器,由于使用的介質不同,也具有了其他媒介不具有的相關特性。
光纖傳感器概念
光纖傳感器是利用光導纖維的傳光特性,把被測量轉換為光特性(強度、相位、偏振態、頻率、波長)改變的傳感器。它是將來自光源的光經過光纖送入調制器,使待測參數與進入調制區的光相互作用后,導致光的光學性質(如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態等)發生變化,稱為被調制的信號光,在經過光纖送入光探測器,經解調后,獲得被測參數。
光纖傳感器類別
1. 按功能分
光纖傳感器按結構類型可分兩大類:一類是功能型(傳感型)傳感器;另一類是非功能性(傳光型)傳感器。
(1) 功能型傳感器
利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特殊光纖)作為傳感元件,對光纖內傳輸的光進行調制,使傳輸的光的強度、相位、頻率或偏振態等特性發生變化,再通過被調制過的信號進行解調,從而得出被測信號。光纖在其中不僅是導光媒質,而且也是敏感元件,多采用多模光纖。
優點:結構緊湊,靈敏度高。缺點:須用特殊光纖,成本高。典型例子:光纖陀螺、光纖水聽器等。
(2) 非功能型傳感器
是利用其它敏感元件感受被測量的變化,光纖僅作為信息的傳輸介質,常采用單模光纖。光纖在其中僅起導光作用,光照在光纖型敏感元件上被測量調制。
優點:無需特殊光纖及其他特殊技術,比較容易實現,成本低。缺點:靈敏度較低。實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。
2. 根據調制區與光纖的關系,可將調制分為三大類:
(1) 傳光型光纖傳感器
傳光型光纖傳感器也稱非功能型光纖傳感器或強度調制型光纖傳感器,光纖主要起傳輸光波的作用,傳光型光纖傳感器主要由光源、光纖、光調制器、敏感元件、光電探測器、檢測電路等組成。傳光型光纖傳感器的基本原理是待測物理量引起光纖中的傳輸光光強I變化,通過光強I的檢測實現對待測物理量的測量。
強度調制的特點是簡單、可靠、經濟。
(2) 傳感型光纖傳感器
傳感型光纖傳感器也稱功能型光纖傳感器,光纖既傳光又傳感,即還充當敏感元件。對于傳感型光纖傳感器而言,當光在光纖中傳播時,被測物理量或外界因素作用在光纖上,使得光纖中傳輸光的振幅、相位、波長、偏振態等發生改變,此過程為光調制,調制后的光經光纖傳輸到光電探測器解調后轉換成電信號輸出。
(3) 拾光型光纖傳感器
拾光型光纖傳感器該類傳感器用光纖作為探頭,接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。
光纖傳感器按被測對象,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。
按照被調制的光波參數不同又可分為光強調制光纖傳感器、相位調制光纖傳感器、偏振調制光纖傳感器和波長調制光纖傳感器。
光纖傳感器特點
與傳統的傳感器相比,光纖傳感器具有獨特的優點:
1. 靈敏度高
由于光是一種波長極短的電磁波,通過光的相位便得到其光學長度。以光纖干涉儀為例,由于所使用的光纖直徑很小,受到微小的機械外力的作用或溫度變化時其光學長度要發生變化,從而引起較大的相位變化。假設用1 0米的光纖,l℃的變化引起1000ard的相位變化,若能夠檢測出的最小相位變化為0.01ard,那么所能測出的最小溫度變化為l 0℃,可見其靈敏度之高。
2. 抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質安全
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,并且安全可靠,這使它可以方便有效地用于各種大型機電、石油化工、礦井等強電磁干擾和易燃易爆等惡劣環境中。
3. 測量速度快
光的傳播速度最快且能傳送二維信息,因此可用于高速測量。對雷達等信號
的分析要求具有極高的檢測速率,應用電子學的方法難以實現,利用光的衍射現象的高速頻譜分析便可解決。
4. 信息容量大
被測信號以光波為載體,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。
5. 適用于惡劣環境
光纖是一種電介質,耐高壓、耐腐蝕、抗電磁干擾,可用于其它傳感器所不適應的惡劣環境中。
除了這些優點以外,光纖傳感器具有使用便捷,可以隨意彎曲,能夠重復利用的優點。
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