【E課堂】光纖傳感器的組成結構，光纖傳感器的應用及其優(yōu)缺點(diǎn)

　　傳感技術(shù)是當今世界發(fā)展最為迅速的高新技術(shù)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，并且向著(zhù)集成化、多功能、智能化和網(wǎng)絡(luò )化的方向發(fā)展，以滿(mǎn)足工業(yè)、農業(yè)、國防和科研等各個(gè)領(lǐng)域的需求。光纖傳感技術(shù)是20世紀70年代隨著(zhù)光纖技術(shù)和光通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的。它代表了新一代傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢。光纖傳感器的產(chǎn)業(yè)已被國內外公認為最具有發(fā)展前途的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，它以技術(shù)含量高、經(jīng)濟效益好、滲透能力強、市場(chǎng)前景廣等特點(diǎn)為世人所矚目。

　　光纖最早的出現的目的是用于傳輸光，在20世紀70年代初生產(chǎn)出低損耗光纖后，光纖用于長(cháng)距離傳遞信息，是光纖通信的基石，也可以豪不夸張的說(shuō)光纖也是現代信息社會(huì )的基石。由于光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質(zhì)，而且光波在光纖中傳播的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長(cháng)等)會(huì )因外界因素(如溫度、壓力、應變、振動(dòng)、聲音、磁場(chǎng)、折射率、扭曲、等)的作用而間接或直接地發(fā)生變化，分析這些變化就可以得到外界作用的某些性質(zhì)，從而可將光纖用作傳感器元件來(lái)探測各種物理量、化學(xué)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?？紤]到光纖傳輸已經(jīng)很簡(jiǎn)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(fā)出的光耦合進(jìn)光纖，經(jīng)光纖進(jìn)入調制區;在調制區內外界被測參數作用于進(jìn)入調制區內的光信號，使其光學(xué)性質(zhì)如光的強度、波長(cháng)、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化成為被調制的信號光：再經(jīng)過(guò)光纖送入光檢測器，光檢測器對進(jìn)來(lái)的光信號進(jìn)行光電轉換，輸出電信號;最后對電信號進(jìn)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(wǎng)的三種基本構成

　　光纖傳感器網(wǎng)有三種基本構成，其中一個(gè)叫單點(diǎn)式傳感器。一根光纖在這里僅僅起到傳輸的作用，另外一種叫多點(diǎn)式傳感器，在這里一根光纖把很多傳感器串起來(lái)，這樣很多傳感器可以共用光源實(shí)現網(wǎng)絡(luò )性監測。再有就是智能光纖傳感器。

　　多點(diǎn)式光纖傳感器，從外表看就是一節光柵，通過(guò)紫外線(xiàn)照射發(fā)現有周期性的間隔。當有光纖入射的時(shí)候，如果光纖的波長(cháng)正好等于間隔的兩倍，那么這個(gè)光波將會(huì )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(gè)反射波長(cháng)將會(huì )發(fā)生變化，這種傳感器在一根光纖上可以做很多個(gè)，把它連接起來(lái)就可以用于各種各樣的傳感應用。

　　因為光纖是軟的，它可以?xún)删S、三維，所以橫軸是空間的位置，縱軸是測量對象。這樣一個(gè)傳感網(wǎng)解決了什么問(wèn)題呢?它解決了在什么位置上發(fā)生了什么事情，那個(gè)事情有多少個(gè)強度的問(wèn)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(wèn)題，它有非常突出的特點(diǎn)要求，包括體積小、強度高、穩定性好，可植入材料中?？闺姶鸥蓴_、耐環(huán)境。

　　光纖傳感器已經(jīng)成功應用于飛機結構監測。我們看到A-380和波音787，它們的特點(diǎn)是超過(guò)一半數量是碳纖維，比如說(shuō)碳纖維符合樹(shù)脂有幾種缺失，一個(gè)是層與層之間的剝離，由于這種材料比較強，所以很難像鋁合金材料那樣實(shí)行碳酸檢測，所以研究人員現在開(kāi)始研究把光纖傳感器埋到復合材料當中去，由于這種材料一層大概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(gè)微米左右。

　　我們說(shuō)光纖傳感器網(wǎng)可以成為安全安心社會(huì )的神經(jīng)網(wǎng)。光纖傳感器網(wǎng)可以用語(yǔ)光纖通訊網(wǎng)的診斷技術(shù)。光纖傳感器網(wǎng)在安防方面已經(jīng)有很多的應用，國內有很多企業(yè)在這方面開(kāi)展了卓有成效的工作。

　　光纖傳感器的應用與其優(yōu)缺點(diǎn)

　　表1給出了各種光纖傳感器的作用機理，應用領(lǐng)域以及優(yōu)缺點(diǎn)。

　　光纖傳感器應用的注意事項

　　1.光纖

　　常見(jiàn)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(lái)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(lái)講，不存在信息容量的問(wèn)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(xué)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(cháng)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的光纖均可采用。

　　(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(wú)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(yōu)點(diǎn)是：價(jià)格低廉，容易獲得，使用方便，但在傳感器中使用，由于輻射密度比較小，故只能與光纖束和粗芯階躍光纖配合使用。缺點(diǎn)是穩定性比較差，壽命短。

　　(2) 氣體激光器

　　高相干性光源，容易實(shí)現單模工作，線(xiàn)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) 固體激光器

　　現在主要用固態(tài)銣離子激光器等，優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是相干性和頻率穩定性不如氣體激光器。

　　(4) 半導體激光器

　　是光纖傳感器的重要光源，主要LED，優(yōu)點(diǎn)是體積小巧、堅固耐用、壽命長(cháng)、可靠性高、輻射密度適中、電源簡(jiǎn)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(cháng)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(cháng)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?yōu)殡娦盘?。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、漏電流和并聯(lián)電導盡可能小的器件;可靠性高、穩定性好;尺寸小、便于組裝、容易與光纖耦合;偏壓或偏流不宜過(guò)高;價(jià)格低廉。