光纤传感器的工作原理

光纤传感器的工作原理

光纤传感器的工作原理?光纤传感器的基本工作原理是：首先将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数以及进入调制区的光相互作用之后，导致光的光学性质发生一定的变化。

光纤传感器的工作原理

光纤传感器是一种利用光学原理来检测物理量的传感器。它采用光纤作为传感元件，将光信号通过光纤传输到检测端，通过检测信号的变化来实现对被测物理量的测量。光纤传感器具有体积小、抗干扰能力强、可靠性高等优点，在现代工业、军事和医疗等领域得到了广泛应用。

光纤传感器的工作原理基于光纤的传输特性和光学传感技术。通常，光纤传感器由光源、光纤、检测器和信号处理器等组成。光源产生一定波长的光信号，通过光纤传输到检测端，由检测器接收后将光信号转换为电信号，再通过信号处理器进行分析处理，得出被测物理量的数值。

在光纤传感器中，光纤的传输特性对测量精度和可靠性起着关键作用。光纤的传输特性受到光纤材料、光纤结构和光源等因素的影响。光纤材料一般采用石英玻璃或塑料，其折射率和衰减系数决定了光信号的传输速度和衰减程度。光纤的结构包括单模光纤和多模光纤，其内部的光线传输方式不同，对于不同的应用需求可以选择不同类型的光纤。光源的选择也会对光纤传输特性产生影响，如光源波长和功率等参数会影响光信号的传输距离和强度。

除了光纤传输特性，光学传感技术也是光纤传感器的关键之一。光学传感技术利用光信号的干涉、散射、吸收等现象来实现对被测物理量的测量。例如，光纤陀螺仪利用光信号的干涉原理来测量旋转角度;光纤温度传感器利用光纤材料的热致散射效应来测量温度;光纤压力传感器利用光纤的压力敏感性来测量压力等。

光纤传感器对比传统传感器的优点

(1)灵敏度高

由于光是一种波长极短的电磁波，通过光的相位便得到其光学长度。以光纤干涉仪为例，由于所使用的光纤直径很小，受到微小的机械外力的作用或温度变化时其光学长度要发生变化，从而引起较大的相位变化。假设用10米的光纤，l℃的变化引起1000ard的相位变化，若能够检测出的最小相位变化为0.01ard，那么所能测出的最小温度变化为l0℃，可见其灵敏度之高。

(2)抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，并且安全可靠，这使它可以方便有效地用于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中。

(3)测量速度快

光的传播速度最快且能传送二维信息，因此可用于高速测量。对雷达等信号的分析要求具有极高的检测速率，应用电子学的方法难以实现，利用光的衍射现象的高速频谱分析便可解决。

(4)信息容量大

被测信号以光波为载体，而光的频率极高，所容纳的频带很宽，同一根光纤可以传输多路信号。

(5)适用于恶劣环境

光纤是一种电介质，耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰，可用于其它传感器所不适应的恶劣环境中。

光纤传感器的优点

1、电绝缘性能好，安全可靠：光纤本身是由电介质构成的，适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。

2、抗电磁干扰：一般电磁辐射的频率比光波低许多，所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响。

3、体积小、重量轻，几何形状可塑。

4、传输损耗小，传输容量大：可实现远距离遥控监测和多点分布式测量

5、耐腐蚀，化学性能稳定：由于制作光纤的材料——石英具有极高的化学稳定性，因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。

6、传感器端无需供电，是无源器件，将传输与传感集合到一体。

光纤传感器选型方法

1、根据测量对象和环境确定类型

要认真分析测量工作，考虑采用哪种原理的传感器进行测量，因为即使测量同一物理量，也可以通过不同的原理实现。其次就得考虑量程、体积(空间是否足够)、安装方式、信号类型(模拟还是数字信号)、测量方式(直接测量还是间接测量)等等。

2、光纤传感器精度

传感器的精度等级关乎到整个系统精度，是一个非常重要的参数。一般，精度越高，价格越贵。所以我们选择的时候，得从整体考虑，适合自己的才是最好的，不要一味追求所谓的高精度，除非在需要定量测量精确值的场合，我们才选用精度等级高些的传感器。

3、灵敏度的选择

灵敏度指输出量的增量与相应的输入量增量之比。我们得正确认识该参数，它分为两方面：1、在线性范围内，灵敏度高，输出信号值比较大，这是优点。2、灵敏度高，与测量无关的外界噪声也容易混入，在处理过程中，影响精度。

4、线性范围

线形范围是指输出与输入成正比的范围，所以我们都希望线性范围越宽越好，线性范围越宽，量程就大，精度就高。但是任何传感器的线性范围都是相对的。我们只需要把测量量估算好，以便在线性范围内。

5、频率响应特性

在测量过程中，传感器的输出总有一定的延迟，跟实际值也有一定的差别。所以我们希望频率响应快一点，这样延迟时间就短一点。但由于受到结构等特性的影响，频率也难以提高。

6、稳定性

稳定性指使用时间长了以后，其性能还能维持不变的能力。影响稳定性的因素除自身原因外，主要是环境因素。因此，选用的传感器要具有较强的环境适应能力，适当的时候还得采取保护措施。

光纤传感器的分类

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、偏振态等)发生变化，成为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。

光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，所以也称传感型光纤传感器或全光纤传感器。非功能型光纤传感器是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号，所以也称为传光型传感器或混合型传感器。

光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长(颜色)调制光纤传感器。光纤传感器按被测对象的不同，又可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等。