光纤传感器解析，光线传感器的结构原理、工作原理、分类及其可测量物理量

　　光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光信号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，成为被调制的信号源，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。

　　传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：具有抗电磁和原子辐射干扰的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

　　光线传感器的结构原理

　　光纤的结构

　　基本采用石英玻璃，有不同掺杂，主要由三部分组成，如图1所示。

　　中心——纤芯；

　　外层——包层；

　　护套——尼龙料。

　　光纤传感器的原理

　　光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤，如图2所示。

　　原理分析：

　　（1） 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时，光线全部反射；

　　（2） 只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。

　　为保证全反射，必须满足全反射条件（即θ＜θc）实现全反射的临界入射角为：

　　可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（N1、N2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。

　　按光纤的作用，光纤传感器可分为功能型和传光型两种。

　　（1） 功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性随被测量发生变化的一种光纤传感器。例如，将光纤置于声场中，则光纤纤芯的折射率在声场作用下发生变化，将这种折射率的变化作为光纤中光的相位变化检测出来，就可以知道声场的强度。

　　（2） 功能型光纤传感器既起着传输光信号作用，又可作敏感元件，所以又称为传感型光纤传感器。传光型光纤传感器是利用其他敏感元件来感受被测量变化一种光纤传感器，传光型光纤传感器则仅起传输光信号作用，所以也称为非功能型光纤传感器。

　　光纤传感器的特点

　　光纤传感器具有以下一些特点：

　　1.不受电磁场的干扰

　　2.绝缘性能高

　　3.防爆性能好，耐腐蚀

　　4.导光性能好

　　5.光纤细而柔软

　　光纤传感器的工作原理

　　（1）光纤传感器的工作原理

　　光纤传感器分为物性型与结构型两类。

　　①物性型光纤传感器原理。物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将翰入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即当外界环境因素（如温度、压力、电场、磁场等）改变时，光纤传光特性（如相位与光强）会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化。就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又称为敏感元件型或功能型光纤传感器。

　　②结构型光纤传感器原理。结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传翰回路及测量电路组成的测量系统。其中，光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。

　　（2）光纤传感器的应用

　　光纤传感器具有不受电磁场干扰、传输信号安全、高精度、高速度、高密度、可实现非接触测量，而且具有高灵敏度、适应各种恶劣环境下使用以及非破坏性和使用简便等优点。无论是在电量（电流、电压、磁场）的测量方面，还是在非电量（位移、温度、压力、速度、加速度、液位、流量等）的测量方面，都取得了惊人的进展。

　　图4.41所示为光纤流速传感器，主要由多模光纤、光源、铜管、成。多模光纤插入顺流而置的铜管中，光电二极管及测量电路组模式光的相位发生变化流体的流动使光纤发生机械变形，导致光纤中传播的各使光纤的发射光强发生变化。其振幅的变化与流速成正比例。

　　光纤传感器的分类和可测量的物理量

　　按所利用的不同的光学现象，光纤传感器可分为干涉型和非干涉型，可通过相位，频率，强度和偏振调制等方式实现对不同物理量的测量，具体内容如表1所示。