
隨著現代科學技術的發展,信息的獲得顯得越來越重要。傳感器正是感知、檢測、監控和轉換信息的重要技術手段。光纖傳感器是繼光學、電子學為一體的新型傳感器。
光纖傳感器是利用光導纖維的傳光特性,把被測量轉換為光特性(強度、相位、偏振態、頻率、波長)改變的傳感器。它是將來自光源的光經過光纖送入調制器,使待測參數與進入調制區的光相互作用后,導致光的光學性質(如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態等)發生變化,稱為被調制的信號光,在經過光纖送入光探測器,經解調后,獲得被測參數。
與以往的傳感器不同,光纖傳感器將被測信號的狀態以光信號的形式取出。光信號不僅能被人所直接感知,利用半導體二極管如光電二極管等小型簡單元件還可以進行光電、電光轉換,極易與一些電子裝配相匹配,;另外光纖不僅是一種敏感元件,而且是一種優良的低損耗傳輸線。因此,光纖傳感器還可用于傳統的傳感器所不適用的遠距離測量。
光纖傳感包含對外界信號(被測量)的感知和傳輸兩種功能。所謂感知,是指外界信號按照其變化規律使光纖中傳輸的光波的物理特征參量,如強度(功率)、波長、頻率、相位和偏振態等發生變化,測量光參量的變化即感知外界信號的變化。這種感知實質上是外界信號對光纖中傳播的光波實施調制。所謂傳輸,是指光纖將受外界信號調制的光波傳輸到光探測器進行檢測,將外界信號從光波中提取出來并按需要進行數據處理,也就是解調。
因此,光纖傳感技術包括調制與解調兩方面的技術,即外界信號(被測量)如何調制光纖中的光波參量的調制技術(或加載技術)及如何從已被調制的光波中提取外界信號(被測量)的解調技術(或檢測技術)。
光纖傳感器的基本原理
光纖(OpticalFiber)是光導纖維的簡稱,光纖的主要成份為二氧化硅,由折射較高的纖芯、折射率較低的包層及保護層組成。纖芯為直徑大約0.1mm左右的細玻璃絲,把光封閉在其中并沿軸向進行傳播的導波結構。光纖傳感器的發現起源于探測光纖外部擾動的實踐,在實踐中,人們發現當光纖受到外界環境的變化時,會引起光纖內部傳輸光波參數的變化,而這些變化與外界因素成一定規律,由此發展出光纖傳感技術。
光纖對許多外界參數有一定的敏感效應。研究光纖傳感原理就是研究如何應用光纖的這些效應,研究光在調制區內與外界被測參數的相互作用,實現對外界被測參數的“傳”和“感”的功能,這是光纖傳感器的核心。
在光通信系統中,光纖被用作遠距離傳輸光波信號的媒質。顯然,在這類應用中,光纖傳輸的光信號受外界干擾越小越好。但是,在實際的光傳輸過程中,光纖易受外界環境因素影響,如溫度、壓力、電磁場等外界條件的變化,將引起光纖光波參數如光強、相位、頻率、偏振、波長等的變化。因此,人們發現如果能測出光波參數的變化,就可以知道導致光波參數變化的各種物理量的大小,于是產生了光纖傳感技術。光纖傳感技術是用光纖對某些物理量的敏感特性,將外界物理量轉換成可以直接測量的信號的技術。由于光纖不僅可以作為光波的傳播媒質,而且由于光波在光纖中傳播時表征光波的特征參量(振幅、相位、偏振態、波長等)因外界因素(如溫度、壓力、應變、磁場、電場、位移、轉動等)的作用而直接或間接發生變化,從而也可將光纖用作傳感元件來探測各種物理量。
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