光纤传感器的组成结构光纤传感器的应用及其优缺点

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  不仅追求高精度、大量程、高可靠、低功耗和微型化，并且向着集成化、多功能、智能化和网络化的方向发展，以满足工业、农业、国防和科研等所有的领域的需求。光纤传感技术是20世纪70年代随着光纤技术和光通信技术的发展而快速地发展起来的。它代表了新一代传感技术的发展的新趋势。光纤的产业已被国内外公认为最具有发展前途的高新技术产业之一，它以技术上的含金量高、经济效益好、渗透能力强、未来市场发展的潜力广等特点为世人所瞩目。

  光纤最早的出现的目的是用于传输光，在20世纪70年代初生产出低损耗光纤后，光纤用于长距离传递信息，是光纤通信的基石，也可以豪不夸张的说光纤也是现代信息社会的基石。由于光纤不但可以作为光波的传输媒质，而且光波在光纤中传播的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）会因外因（如温度、压力、应变、振动、声音、磁场、折射率、扭曲、等）的作用而间接或直接地发生明显的变化，分析这些变化就能够获得外界作用的某些性质，从而可将光纤用作传感器元件来探测各种物理量、化学量和生物量，这就是光纤传感器的基本原理。

  光纤传感器的基本结构由光源、传输光纤和光检测部分所组成。考虑到光纤传输已经很简单，通常一套完整的光纤传感器主要由传感器和解调仪构成。光源发出的光耦合进光纤，经光纤进入调制区；在调制区内外界被测参数作用于进入调制区内的光信号，使其光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生明显的变化成为被调制的信号光：再经过光纤送入光检测器，光检测器对进来的光信号进行光电转换，输出电信号；最后对电信号进行信号处理而得到可用信号，从而获得被测参数。

  光纤传感器网有三种基本构成，其中一个叫单点式传感器。一根光纤在这里仅仅起到传输的作用，另外一种叫多点式传感器，在这里一根光纤把很多传感器串起来，这样很多传感器能共用光源实现网络性监测。再有就是智能光纤传感器。

  多点式光纤传感器，从外表看就是一节光栅，通过紫外线照射发现有周期性的间隔。当有光纤入射的时候，如果光纤的波长正好等于间隔的两倍，那么这个光波将会受到强烈的反射，而如果光纤受到气温变化或者应变等等，这个反射波长将会发生明显的变化，这种传感器在一根光纤上可以做很多个，把它连接起来就能够适用于各种各样的传感应用。

  因为光纤是软的，它可以两维、三维，所以横轴是空间的位置，纵轴是测量对象。这样一个传感网解决了什么样的问题呢？它解决了在什么位置上发生了什么样的事情，那个事情有多少个强度的问题，也就是提供了两维的信息。这就是智能光纤传感器所要解决的问题，它有很突出的特点要求，包括体积小、强度高、稳定性高，可植入材料中。抗电磁干扰、耐环境。

  光纤传感器已经成功应用于飞机结构监测。我们正真看到A-380和波音787，它们的特点是超过一半数量是碳纤维，比如说碳纤维符合树脂有几种缺失，一个是层与层之间的剥离，由于这样一种材料比较强，所以很难像铝合金材料那样实行碳酸检测，所以研究人员现在开始研究把光纤传感器埋到复合材料当中去，由于这样一种材料一层大概125微米的厚度，所以这种光纤传感器必须是特别细小的光纤传感器，大概直径在50个微米左右。

  我们说光纤传感器网能成为安全安心社会的神经网。光纤传感器网可以用语光纤通讯网的诊断技术。光纤传感器网在安防方面已经有很多的应用，国内有很多企业在这方面开展了卓有成效的工作。

  常见的光纤有阶跃型和梯度型多模光纤及单模光纤，选用光纤一定要考虑以下因素：

  从提高光源与光纤之间耦合效率的角度来看，要求用大的NA，但是NA越大，光纤的模色散越严重，传输信息的容量就越小。但是大多数光纤传感器来讲，不存在信息容量的问题，光纤以最大孔径为宜，一般要求是：0.2NA《0.4。

  传输损耗是光纤的最重要的光学特性，很大程度上决定了远距离光纤通信中继站的跨越，但是光纤传感器系统中，大部分距离都比较短，长者不足4M，短的只有几毫米。特别是作为敏感元件的特殊光纤，可放宽传输损耗的要求，一般损耗《10dB/km的光纤均可采用。

  白炽光源的辐射近似为黑体辐射。其优点是：价格低，容易获得，使用起来更便捷，但在传感器中使用，由于辐射密度比较小，故只能与光纤束和粗芯阶跃光纤配合使用。缺点是稳定性比较差，寿命短。

  高相干性光源，容易实现单模工作，线性非常窄；辐射密度比较高，与单模光纤耦合效率高；噪声比较小。

  现在主要用固态铷离子激光器等，优点是体积小，坚固耐用、高效率、高辐射密度。光谱均匀而且比较窄，缺点是相干性和频率稳定性不如气体激光器。

  是光纤传感器的重要光源，主要LED，优点是体积小巧、坚固耐用、寿命长、可靠性高、辐射密度适中、电源简单。

  光源很多，对光源的基础要求是一致的，必须使具有适当特性的、功率足够大的光达到检测器，以确保检验测试系统有足够大的信噪比，遵循原则为：选择辐射足够强的光源，要求在敏感元件的工作波长上有最大的辐射功率；光源必须与光纤匹配，以获得最好的耦合率；光源的稳定性要好，能在长期的室温下工作。

  光电探测器是光电检测中必不可少的器件，把光信号转变为电信号。选择准则：在工作波段内灵敏度要高；有检测器引入的噪声一定要小，因此要选用暗电流、漏电流和并联电导尽可能小的器件；可靠性高、稳定性高；尺寸小、便于组装、容易与光纤耦合；偏压或偏流不宜过高；价格低。