光纤式传感器

光纤式传感器

传感技术与计算机技术、通讯技术被称为信息产业三大支柱技术, 是组成现代信息化技术的基础。世界各大强国均将传感器技术视为国家科技发展战略中的重要组成部分, 作为国家重点发展的领域之一。光纤传感器主要有传感型和传光型两大类, 两类传感器在传感原理上均可分为光强调制、相位调制、偏振态调制及波长调制不同形式, 由此构成不同的传感器。迄今业已证实, 被光纤传感器敏感的物理量有 70多种, 与传统的传感器相比, 光纤传感器有灵敏度高、重量轻和体积小、多用途、对介质影响小、抗电磁干扰和耐腐蚀且本质安全、易于组网等特点, 使其近年来在航天航空、国防、能源电力、医疗和环保、石油化工、食品加工、土木工程等领域的应用得到了迅速发展。表 1 为光纤传感器对参数测定的原理及主要方式。

一、光纤传感器的基本原理及组成

光纤传感器由光源、敏感元件、光探测器、信号处理器系统以及光纤等组成。光纤传感器的基本原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测量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，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。

1．1强度调制光纤传感器

强度调制光纤传感器的基本原理是：待测物理量引起光纤中传输光的光强变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量。待测量作用于光纤敏感元件，使通过光纤的光强发生变化。设输入光强为恒量Iin，输出光强为Iout，即待测量对光纤中的光强度产生调制。可

直接连接光探测器变成电信号（即调制的强度包括电信号）。

1.2相位调制光纤传感器

相位调制光纤传感器的基本原理是：通过被测能量场的作用，使光纤内传输的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。所有能够影响光纤长度、折射率和内部应力的被测量都会引起相位变化，如应力应变温度和磁场等外界物理量。但是，目前的各类光探测器都不能探测敏感光的相位变化，必须采用干涉测量技术，才能实现对外界物理量的检测。与其他调制方式相比，相位调制技术由于采用干涉技术而具有很高的检测灵敏度。常用的干涉仪有四种：迈克尔逊、马赫-琴特、法布里-珀罗和萨格耐克。它们的共同点是：光源发出的光都要分成两束或更多束的光，沿不同的路径传播后，分离的光束又重新汇合，产生干涉现象。

1.3 偏振态调制光纤传感器

利用光波的偏振性质，可以制成偏振调制光纤传感器。偏振调制主要是利用光纤的磁光效应、弹光效应等物理效应来实现外界信号对光纤中光波偏振的调制。磁光效应导致旋光现象，弹光效应导致双折射。在许多光纤系统中，尤其是包含单模光纤的系统，偏振起着重要作用。光纤偏振调制技术可用于温度、压力、振动、机械形变、电流和电场等检测。目前主要是用于检测强电流。

二、光纤传感器测量的物理量和范围

绝缘子污秽、磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、光纤传感器可用于位移、震动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、PH值和应变等物理量的测量。光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济和国防上所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面的应用：

城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中，用于测试应力松弛、施工应力和动荷载应力，从而评估桥梁短期施工阶段和长期营运状态的结构性能。

在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等，由于电类传感器易受电磁场的干扰，无法在这类场合中使用，只能用光纤传感器。分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高

新技术，分布式光纤温度传感系统不仅具有普遍光纤传感器的优点，还具有对光纤沿线各点的温度的分布传感能力，利用这种特点我们可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点温度，定位精度可达米的量级，测量精度可达1度的水平，非常适用大范围交点测温的应用场合。

三、传光光纤传感器在医学上的应用

在医学中的应用医用光纤传感器目前主要是传光型的，以其小巧、绝缘、不受射频和微波干扰、测量精度高及与生物体亲合性好等优点备受重视。过去，内科医生依赖间断时间检测病人的方法，从化验室取得结果。随着医用光纤传感器的出现，不但对诸如氧饱和、pH 、Po2、Pco2及血速等血液特性可以进行实时连续测量，而且与传统测量方法不同的温度和压力光纤传感也投入医用。同时在对葡萄糖、青霉素的监控、静脉疾病诊断及抗原-抗体鉴定等方面的应用也正在兴起。医学诊断用光纤传感器为更好地治疗病人提供了一种崭新的医学方法。国外在医用光纤传感器研制方面比较活跃的国家有美国、日本、英国、意大利、瑞士、荷兰、德国、波兰、奥地利、比利时、法国等。美国有10多家单位从事医用光纤传感器的研制工作有多种产品已商业化。如Luxelou公司出售的用于高温治疗的光纤传感器等；心血管器件公司3M健康护理处的pH系列，可用于心脏外科手术的监护；光敏公司的Po2、 Pco2、pH的体温监测系统可同时显示四种血液气体参数；利佛莫尔国家实验室和检测铝离子、pH 值、烃类双氧铀离子等八种参数；Tsl公司出售的Laserflo Blood Profusion监测器，可测量血管血流，配有微机打印输出系统；弗吉尼亚大学研究用荧光法测抗原对药物的反应用的光纤生化传感器等传光型光纤传感器。在医学上的应用分五个方面分别予以介绍。

3.1压力测量

目前临床上应用的压力传感器主要用来测量血管内的血压、颅内压、心内压、膀胱和尿道压力等。用来测量血压的压力传感器示意见图3，其中对压力敏感的部分是在探针导管末端侧壁上的一块防水薄膜，一面带有悬臂的微型反射镜与薄膜相连，反射镜对面是一束光纤，用来传递入射光到反射镜，同时也将反射光传送出来。当薄膜上有压力作用时，薄膜发生形变，且能带动悬臂使反射镜角度发生改变从光纤传来的光束照射到反光镜上，再反射到光纤的端点。由于反射光的方向随反射镜角度的变化，而改变因此光纤接收到的反射光的强度也随之变化这一变化。通过光纤传到另一端的光电探测器变成电信号，这样通过电压的变化便可知探针处的压力大小。

3.2血流速度的测量

多普勒型光纤速度传感器测量皮下组织血流速度的示意见图 4 。此装置利用了光纤的端面反射现象，测量系统结构简单。发光频率为f的激光经透镜，光纤被送到表皮组织。对于不动的组织，例如血管壁，所反射的光不产生频移；而对于皮层毛细血管里流速为v的红细胞，反射光要产生频移，其频率变化为△f；发生频移的反射光强度与红细胞的浓度成比例，频率的变化值可与红细胞的运动速度成正比。发射光经光纤收集后先在光检测器上进行混频，然后进人信号处理仪，从而得到红细胞的运动速度和浓度。

四、光纤传感器的优缺点

4,1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.非功能型传感器

非功能型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。

优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。

缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。

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。

五、对课程教学的建议

我校开设的传感器课程，是电子信息、测控技术及仪器、自动化等专业的重要专业基础课，是研究各种传感器敏感材料、结构、性能及应用的科学，学生通过对多种传感器的基本静、动态特性，数学模型以及传感器的工作原理、结构和特性的学习，掌握传感器原理及应用技术，为智能仪器、自动化控制等技术打下基础。

在这门课上，通过吴老师的细心讲解，我对各类传感器的结构、工作原理及应用有了大题的了解和掌握。通过一学期的学习，我对本门课程也有些想法及建议。

比如，教材的内容不是很详尽，老师讲的很多内容教材上并没有涉及，所以我们要拷贝PPT进行补充和学习。

传感器课程的主要内容以各式各样传感器的知识点构架而成，加上新技术的发展，适应各种参数测量的传感器种类也在不断推陈出新，这就要求传感器教学内容发生相应的变化。然而，现有的传感器教材种类繁多，这些教材在传感器选材上各有侧重，行业特色明显，而目前我们在教材的选择上没有注意学生专业方向与教材的匹配，如电子信息、测控技术及仪器、自动化专业将来所面临的行业不同，检测各种参数的传感器种类也差别很大，现行的状况是所有专业采用同一教材、同一教学大纲；又如近几年发展快速的汽车行业是传感器需求

最多的行业，汽车所需的压力、惯性、位置、接近度、流量、氧含量、力、扭矩、震动、图像等实际工程中应用较广的传感器，在同一本教材中体现较少或根本没有体现，人才培养滞后于企业需求，使学生走向工作岗位后无从下手，学生就业缺乏竞争力。

参考文献

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论文资料来源于教科书，中国知网和相关期刊