【E课堂】光纤传感器的组成结构，光纤传感器的应用及其优缺点

　　传感技术是当今世界发展最为迅速的高新技术之一。新型传感器不仅追求高精度、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、国防和科研等各个领域的需求。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迅速发展起来的。它代表了新一代传感技术的发展趋势。光纤传感器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，它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景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。由于光纤不仅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)会因外界因素(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变化，分析这些变化就可以得到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。

　　光纤传感器的组成结构

　　光纤传感器网的三种基本构成

　　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，这样很多传感器可以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，而如果光纤受到温度变化或者应变等等，这个反射波长将会发生变化，这种传感器在一根光纤上可以做很多个，把它连接起来就可以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问题呢?它解决了在什么位置上发生了什么事情，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需要解决的问题，它有非常突出的特点要求，包括体积小、强度高、稳定性好，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可以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。

　　光纤传感器的应用与其优缺点

　　表1给出了各种光纤传感器的作用机理，应用领域以及优缺点。

　　光纤传感器应用的注意事项

　　1.光纤

　　常见的光纤有阶跃型和梯度型多模光纤及单模光纤，选用光纤必须考虑以下因素：

　　(1) 光纤的数值孔径NA

　　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：0.2≤NA《0.4。

　　(2) 光纤传输损耗

　　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。

　　(3) 色散

　　色散是影响光纤信息容量的重要参量，如前所讲，可放宽这方面的要求。

　　(4) 光纤的强度

　　对传感器而言，都毫无例外的都要求较强的强度。

　　2.光源

　　(1) 白炽光源

　　白炽光源的辐射近似为黑体辐射。其优点是：价格低廉，容易获得，使用方便，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。

　　(2) 气体激光器

　　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。

　　(3) 固体激光器

　　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。

　　(4) 半导体激光器

　　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，对光源的基本要求是一致的，必须使具有适当特性的、功率足够大的光达到检测器，以确保检测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。

　　3.光电探测器

　　光电探测器是光电检测中不可缺少的器件，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、稳定性好;尺寸小、便于组装、容易与光纤耦合;偏压或偏流不宜过高;价格低廉。