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光纤传感器根据特性可以分成哪些种类？

时间：2023-07-16 09:50:01

关键字：光纤传感器光纤传感器分类

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[导读]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。

1、光纤光栅传感器产品包括应变传感器、温度传感器和压力传感器，其中光纤bragg光栅传感器是这几年的研究热点，它们大部分属于光强型和干涉型，并且各有利弊。

2、相位调制型光纤传感器

在被测能量场的作用下，光纤内的光波的相位发生变化，再用干涉测量技术将相位的变化转换成光强的变化，从而检测到待测的物理量。

相位调制型光纤传感器的优点是具有极高的灵敏度，动态测量范围大，同时响应速度也快，其缺点是对光源要求比较高同时对检测系统的精密度要求也比较高，因此成本相应较高。

3、分布式光纤传感器

分布式光纤传感器(DFOS)是一种能够沿整条光纤光缆进行连续测量的技术，它具有以下特点：传感元件、仅针对光纤、灵敏度高、抗电磁干扰以及测量范围大。

DFOS应用类型包括分布式温度传感(DTS)、分布式声学传感(DAS)和分布式应变传感(DSS)。

4、结构化光纤传感器

基本原理，结构化光纤传感器是由光检验元器件 (敏感元件)与光纤传输控制回路及精确测量电源电路所构成的检测系统。在其中光纤线仅做为光的传播媒质，因此又称之为传光型或式功能性光纤传感器。

根据被调制的光波的性质参数不同，这两类光纤传感器都可再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、偏振态调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。

1) 强度调制型光纤传感器

基本原理是待测物理量引起光纤中传输光光强的变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量。恒定光源发出的强度为I的光注入传感头，在传感头内，光在被测信号的作用下其强度发生了变化，即受到了外场的调制，使得输出光强的包络线与被测信号的形状一样，光电探测器测出的输出电流也作同样的调制，信号处理电路再检测出调制信号，就得到了被测信号。

2) 相位调制型光纤传感器

基本原理是：在被测能量场的作用下，光纤内的光波的相位发生变化，再用干涉测量技术将相位的变化转换成光强的变化，从而检测到待测的物理量。相位调制型光纤传感器的优点是具有极高的灵敏度，动态测量范围大，同时响应速度也快，其缺点是对光源要求比较高同时对检测系统的精密度要求也比较高，因此成本相应较高。

3) 频率调制型光纤传感器

基本原理是利用运动物体反射或散射光的多普勒频移效应来检测其运动速度，即光频率与光接收器和光源间运动状态有关。当它们相对静止时，接收到光的振荡频率;当它们之间有相对运动时，接收到的光频率与其振荡频率发生频移，频移大小与相对运动速度大小和方向有关。

4) 偏振态调制型光纤传感器

基本原理是利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息。

光波是一种横波，它的光矢量是与传播方向垂直的。如果光波的光矢量方向始终不变，只是它的大小随相位改变，这样的光称为是线偏振光。光矢量与光的传播方向组成的平面为线偏振光的振动面。如果光矢量的大小保持不变，而它的方向绕传播方向均匀的转动，光矢量末端的轨迹是一个圆，这样的光称为圆偏振光。如果光矢量的大小和方向都在有规律的变化，且光矢量的末端沿一个椭圆转动，这样的光称为椭圆偏振光。

利用光波的偏振性质，可以制成偏振调制光纤传感器。在许多光纤系统中，尤其是包含单模光纤的那些系统，偏振起着重要的作用。许多物理效应都会影响或改变光的偏振状态，有些效应可引起双折射现象。所谓双折射现象就是对于光学性质随方向而异的一些晶体，一束入射光常分解为两束折射光的现象。光通过双折射媒质的相位延迟是输入光偏振状态的函数。

5)波长调制型光纤传感器

传统的波长调制型光纤传感器是利用传感探头的光谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。

此类传感器多为非功能型传感器。在波长调制的光纤探头中，光纤只是简单的作为导光用，即把入射光送往测量区，而将返回的调制光送往分析器。光纤波长探测技术的关键是光源和频谱分析器的良好性能，这对于传感系统的稳定性和分辨率起着决定性的影响。

根据光纤在传感器中的作用可以分为：一类是功能型(Functional Fiber，缩写为FF)传感器，又称为传感型传感器; 另一类是非功能型(Non Functional Fiber缩写为NFF)，又称为传光型传感器。

1、功能型传感器

功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。

光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。

优点：结构紧凑、灵敏度高。

缺点：须用特殊光纤，成本高，

典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。

2、非功能光纤型传感器

非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。