光纤传感技术原理与特点

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  光纤传感器的基本工作原理可以用图1-1表示。在受到应力、温度、电场、磁场等外界外因的影响时，光纤中传输的光波容易受到这些外在场或量的调制，因而光波的表征参量如强度、相位、频率、偏振态等会发生相应改变，通过检验测试这些参量的变化，就能够得到外界被测参量的信息，实现对外界被测参量的“传”和“感”的功能。

  由光源发出光波，通过置于光路中的传感元件，将待测外界信息如温度、压力、应变、电场等叠加到载波光波上；承载信息的调制光波通过光纤传输到探测单元，由信号探测系统探测，并经信号处理后检测出随待测外界信息变化的感知信号，以此来实现传感功能。

  根据光纤传感器的工作原理，光纤传感系统最重要的包含光源、传输光纤、传感元件、光电探测器和信号处理单元等。

  光源就是信号源，用以产生光的载波信号。光纤传感器常用的光源是光纤激光器与半导体激光器等。一般要求其体积小，以便减小与光纤的耦合损失；输出波长与光纤相匹配，减小在光纤中的传输损耗；在室温下可以连续工作以及寿命长和功率稳定；输出模式与传感光纤匹配等。其主要技术参数包括激光线宽、中心波长、最大输出功率、暗电流和相位噪声等。

  光纤作为传输介质担负信号的传输。光纤的分类方式有很多种，主要是按照材料、折射率分布和传输模式进行分类。按照制作光纤的材料分为石英光纤、塑料光纤和液芯光纤等；按照光纤折射率分布分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤等；按照传输模式分为单模和多模光纤。光纤通信系统及光纤传感系统用的传输光纤主要是石英制作的阶跃折射率单模光纤。

  传感元件是感知外界信息的器件，相当于调制器。传感元件能是光纤本身，这种光纤传感器被称为功能型光纤传感器，这里光纤不仅起传光作用，它还是敏感元件，即光纤本身同时具有“传”和“感”两种功能；传感元件也可以是别的类型的可以感知被测参量并将被测参量转为光信号的敏感元件，这种光纤传感器被称为非功能型或传光型光纤传感器，其中光纤仅作为光的传输介质。

  光电探测器是把传送到接收端的探测光信号转换成电信号，将电信号“解调”出来，接着进行处理，获得传感信息。常用的光探测器有光敏二极管、光敏三极管和光电倍增管等。其主要技术参数包括灵敏度、量子效率、等效噪声功率、放大倍数和带宽等。

  作为传感介质的光纤或光纤器件，其材料主要成分为二氧化硅，是本质安全的。因此光纤传感器具有抗电磁干扰、防雷击、防水防潮、耐高温、耐腐蚀等特点，可在条件比较恶劣的环境中(如强辐射、高腐蚀、易燃易爆等场所)使用。

  光纤作为传感器的主要组成部分，其体积小、质量轻，还能够进行一定程度的弯曲，因此可以随被测物体形状改变走向，能最大限度地适应被测环境，既可以埋入复合材料内，也可以粘贴在材料的表面，与待测材料有着良好的相容性。

  光纤的工作频带宽且光波在光纤中的传输损耗小(如1550nm光波在标准单模光纤中损耗只有0.2dB/km)，适合长距离传感和远程监控。

  通过不同的调制和解调技术，光纤传感器能实现多种参量的传感。除了应力、温度、振动、电流、电压等传统传感领域，还被应用在测量速度、加速度、转速、转角、振动、弯曲、扭绞、位移、折射率、湿度、pH、溶液浓度、液体泄漏等新型传感领域屮。因此，光纤传感器的测量对象十分广泛，可感知的参量已达到了100多种，包括但不限于图1-2所示的传感参量。

  有效设计的光纤传感器(如利用光纤干涉技术)可以使光纤传感器实现非常高的灵敏度。

  由于光波间不会相互干扰，可利用通信中的波分复用技术在同一根光纤中同时传输很多波长的光信号，而且光纤本身组网便利，有利于与现有光通信设施组成遥测网和光纤传感网络。基于以上原因，光纤传感器受到了人们广泛的关注，并得到了飞速的发展。同时，具有新的机制和面向新的应用对象的光纤传感器也在不断涌现。

  另外推荐给大家一款由南科复华自主研发的N-Linx高性能高速数据采集卡，FPGA 芯片是基于 XILINX 公司的 Kintex Ultrascale 系列的 XCKU060-2FFVA1156I。板上 4 片 Micron 的 1GB 的 DDR4 芯片,总的容量达 4GB。另外核心板上也集成了 2 片 128MBit 大小的 QSPI FLASH，用于启动存储配置和系统文件。板上集成了两片16bit，250MHz高性能ADC芯片，型号为ADS42LB69；同时集成了一片14bit，500MHz高性能DA芯片，同时为了能够更好的保证高性能的数据采集、处理和传输等工作，集成了两个150MHz、一个200MHz、一个300MHz高性能差分晶振。为了能够更好的保证高速数据传输，采用PCIe3.0 x8高速接口。

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