光纖傳感器的組成結構,光纖傳感器的應用及其優缺點

　　傳感技術是當今世界發展最為迅速的高新技術之一。新型傳感器不僅追求高精度、大量程、高可靠、低功耗和微型化，並且向著集成化、多功能、智能化和網絡化的方向發展，以滿足工業、農業、國防和科研等各個領域的需求。光纖傳感技術是20世紀70年代隨著光纖技術和光通信技術的發展而迅速發展起來的。它代表了新一代傳感技術的發展趨勢。光纖傳感器的產業已被國內外公認為最具有發展前途的高新技術產業之一，它以技術含量高、經濟效益好、滲透能力強、市場前景廣等特點為世人所矚目。

　　光纖最早的出現的目的是用於傳輸光，在20世紀70年代初生產出低損耗光纖後，光纖用於長距離傳遞信息，是光纖通信的基石，也可以豪不誇張的說光纖也是現代信息社會的基石。由於光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質，而且光波在光纖中傳播的特徵參量（振幅、相位、偏振態、波長等）會因外界因素（如溫度、壓力、應變、振動、聲音、磁場、折射率、扭曲、等）的作用而間接或直接地發生變化，分析這些變化就可以得到外界作用的某些性質，從而可將光纖用作傳感器元件來探測各種物理量、化學量和生物量，這就是光纖傳感器的基本原理。

　　

　　光纖傳感器的基本結構由光源、傳輸光纖和光檢測部分組成。考慮到光纖傳輸已經很簡單，通常一套完整的光纖傳感器主要由傳感器和解調儀構成。光源發出的光耦合進光纖，經光纖進入調製區；在調製區內外界被測參數作用於進入調製區內的光信號，使其光學性質如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等發生變化成為被調製的信號光：再經過光纖送入光檢測器，光檢測器對進來的光信號進行光電轉換，輸出電信號；最後對電信號進行信號處理而得到可用信號，從而獲得被測參數。

　　

　　光纖傳感器的組成結構

　　光纖傳感器網的三種基本構成

　　光纖傳感器網有三種基本構成，其中一個叫單點式傳感器。一根光纖在這裡僅僅起到傳輸的作用，另外一種叫多點式傳感器，在這裡一根光纖把很多傳感器串起來，這樣很多傳感器可以共用光源實現網絡性監測。再有就是智能光纖傳感器。

　　多點式光纖傳感器，從外表看就是一節光柵，通過紫外線照射發現有周期性的間隔。當有光纖入射的時候，如果光纖的波長正好等於間隔的兩倍，那麼這個光波將會受到強烈的反射，而如果光纖受到溫度變化或者應變等等，這個反射波長將會發生變化，這種傳感器在一根光纖上可以做很多個，把它連接起來就可以用於各種各樣的傳感應用。

　　因為光纖是軟的，它可以兩維、三維，所以橫軸是空間的位置，縱軸是測量對象。這樣一個傳感網解決了什麼問題呢？它解決了在什麼位置上發生了什麼事情，那個事情有多少個強度的問題，也就是提供了兩維的信息。這就是智能光纖傳感器所需要解決的問題，它有非常突出的特點要求，包括體積小、強度高、穩定性好，可植入材料中。抗電磁幹擾、耐環境。

　　光纖傳感器已經成功應用於飛機結構監測。我們看到A-380和波音787，它們的特點是超過一半數量是碳纖維，比如說碳纖維符合樹脂有幾種缺失，一個是層與層之間的剝離，由於這種材料比較強，所以很難像鋁合金材料那樣實行碳酸檢測，所以研究人員現在開始研究把光纖傳感器埋到複合材料當中去，由於這種材料一層大概125微米的厚度，所以這種光纖傳感器必須是特別細小的光纖傳感器，大概直徑在50個微米左右。

　　我們說光纖傳感器網可以成為安全安心社會的神經網。光纖傳感器網可以用語光纖通訊網的診斷技術。光纖傳感器網在安防方面已經有很多的應用，國內有很多企業在這方面開展了卓有成效的工作。

　　

　　光纖傳感器的應用與其優缺點

　　表1給出了各種光纖傳感器的作用機理，應用領域以及優缺點。

　　

　　光纖傳感器應用的注意事項

　　1.光纖

　　常見的光纖有階躍型和梯度型多模光纖及單模光纖，選用光纖必須考慮以下因素：

　　（1） 光纖的數值孔徑NA

　　從提高光源與光纖之間耦合效率的角度來看，要求用大的NA，但是NA越大，光纖的模色散越嚴重，傳輸信息的容量就越小。但是大多數光纖傳感器來講，不存在信息容量的問題，光纖以最大孔徑為宜，一般要求是：0.2≤NA《0.4。

　　（2） 光纖傳輸損耗

　　傳輸損耗是光纖的最重要的光學特性，很大程度上決定了遠距離光纖通信中繼站的跨越，但是光纖傳感器系統中，大部分距離都比較短，長者不足4M，短的只有幾毫米。特別是作為敏感元件的特殊光纖，可放寬傳輸損耗的要求，一般損耗《10dB/km的光纖均可採用。

　　（3） 色散

　　色散是影響光纖信息容量的重要參量，如前所講，可放寬這方面的要求。

　　（4） 光纖的強度

　　對傳感器而言，都毫無例外的都要求較強的強度。

　　2.光源

　　（1） 白熾光源

　　白熾光源的輻射近似為黑體輻射。其優點是：價格低廉，容易獲得，使用方便，但在傳感器中使用，由於輻射密度比較小，故只能與光纖束和粗芯階躍光纖配合使用。缺點是穩定性比較差，壽命短。

　　（2） 氣體雷射器

　　高相干性光源，容易實現單模工作，線性非常窄；輻射密度比較高，與單模光纖耦合效率高；噪聲比較小。

　　（3） 固體雷射器

　　現在主要用固態銣離子雷射器等，優點是體積小，堅固耐用、高效率、高輻射密度。光譜均勻而且比較窄，缺點是相干性和頻率穩定性不如氣體雷射器。

　　（4） 半導體雷射器

　　是光纖傳感器的重要光源，主要LED，優點是體積小巧、堅固耐用、壽命長、可靠性高、輻射密度適中、電源簡單。

　　光源很多，對光源的基本要求是一致的，必須使具有適當特性的、功率足夠大的光達到檢測器，以確保檢測系統有足夠大的信噪比，遵循原則為：選擇輻射足夠強的光源，要求在敏感元件的工作波長上有最大的輻射功率；光源必須與光纖匹配，以獲得最好的耦合率；光源的穩定性要好，能在長期的室溫下工作。

　　3.光電探測器

　　光電探測器是光電檢測中不可缺少的器件，把光信號轉變為電信號。選擇準則：在工作波段內靈敏度要高；有檢測器引入的噪聲一定要小，因此要選用暗電流、漏電流和並聯電導儘可能小的器件；可靠性高、穩定性好；尺寸小、便於組裝、容易與光纖耦合；偏壓或偏流不宜過高；價格低廉。

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