光纤传感器
①光纤传感器的基本原理
光纤传感器通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号。
光纤传感器的测量原理有两种。
(1) 物性型光纤传感器原理
物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。
其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。
因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。
这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。
激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。
外界参数（温度、压力、振动等）引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移
动进行计数，就可测量温度或压力等。
图1 物性型光纤传感器工作原理示意图
(2) 结构型光纤传感器原理
结构型光纤传感器是由光检测元件（敏感元件）与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。
其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。
图2 结构型光纤传感器工作原理示意图
(3) 拾光型光纤传感器原理
用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。
其典型例子如光纤激光
多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。
图3 拾光型光纤传感器工作原理示意图
②光纤传感器的优点
与传统的各类传感器相比，光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，具有光纤及光学测量的特点，有一系列独特的优点。
(1) 电绝缘性能好。
(2) 抗电磁干扰能力强。
(3) 非侵入性。
(4) 高灵敏度。
(5) 容易实现对被测信号的远距离监控。
(6) 耐腐蚀，防爆。
(7) 光路有可挠曲性，便于与计算机联接。
(8) 结构简单，体积小，重量轻，耗电少等。
光纤传感器在军事、航空、医学、环境监测、土木工程、电子系统等很多领域都有广泛的应用，尤其适
用于以下特殊环境：
(1) 在高压、电磁感应噪音条件下的测试；
(2) 在危险和环境恶劣条件下的测试；
(3) 在机器设备内部的狭小间隙中的测试；
(4) 在远距离的传输中的测试。
③光纤传感器的分类和可测量的物理量
按所利用的不同的光学现象，光纤传感器可分为干涉型和非干涉型，可通过相位，频率，强度和偏振调制等方式实现对不同物理量的测量，具体内容如表1所示。
表1 光纤传感器的分类和测量的物理量
传感器光学现象被测量光纤
分
类
干
涉型相位调制光线传
感器
干涉（磁致伸缩）电流、磁场SM、PM a
干涉（电致伸缩）电场、电压SM、PM a
Sagnac效应角速度SM、PM a
光弹效应振动、压力、加速度、位移SM、PM a
干涉温度SM、PM a
非
干涉型强度调制光纤温
度传感器
遮光板遮断光路温度、振动、压力、加速度、位移MM b
半导体透射率的变化温度MM b
荧光辐射、黑体辐射温度MM b
光纤微弯损耗振动、压力、加速度、位移SM b
振动膜或液晶的反射振动、压力、位移MM b
气体分子吸收气体浓度MM b 光纤漏泄膜液位MM b
偏振调制光纤温度传感器法拉第效应电流、磁场SM
b
,
a 泡克尔斯效应电场、电压MM
b 双折射变化温度SM b 光弹效应振动、压力、加速度、位移MM b
频率调制光纤温度传感器多普勒效应速度、流速、振动、加速度MM c 受激喇曼散射气体浓度MM b 光致发光s 温度MM b
注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型
④各种光纤传感器的应用领域及优缺点
表2给出了各种光纤传感器的作用机理，应用领域以及优缺点。
表2 光纤传感器的作用机理和应用领域
分类作用机理优点缺点应
用
光纤在传感器中作用功能性
光纤传感
器
光纤即是导光媒质，也是
敏感元件，光在光纤内受
被测量调制
结构紧凑
灵敏度高
须用特殊光纤，成本
高
光
纤
陀
螺
光
纤
水听器
非功能型光纤传感器光纤在其中仅起导光作
用
无需特殊光纤及
其它特殊技术，
比较容易实现，
成本低
灵敏度比较低大
多
数
实
用
化
设
备
拾光型光纤传感器光纤作为探头，接收由被
测对象辐射的光或被其
发射、散射的光
无需特殊光纤，
比较容易实现，
成本低
灵敏度比较低光
纤
激
光
多
普
勒
速
度
计
辐
射
式
温
度
传
感
器
光受被测量调制的形式强度调制
型光纤传
感器
利用被测对象的变化引
起敏感元件参数的变化，
导致光强度变化来实现
结构简单
容易实现
成本低
易受光源波动和连
接器损耗变换的影
响
压
力
、
振
动
、
位
移
、
气
体
传
感
器偏振调制
光纤传感
器
利用光的偏振态的变化
来传递被测对象信息
可避免光源强度
的变化的影响，
灵敏度高
不容易实现电
流
、
磁
场
；
电
场
、
电
压
；
压
力
、
动；温度、压力、振动传感器
频率调制光纤传感器被测对象引起的光频率
的变化来进行检测
容易实现，成本
低
灵敏度不高光
纤
速
度
、
流
速
、
振
动
、
压
力
传
感
；大气传感器；温度传感器
相位调制传感器运用机理优点缺点应
用
⑤应用注意事项
5.1 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。
5.2 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。
5.3 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。
⑥产品图片
光纤电流传感器手动可调谐滤波器温度光纤传感器敏感头光纤生物传感器光纤温度传感器光纤光栅应变传感器
光纤光栅压力传感器光纤光栅压力/位移一体
化传感器
光纤光栅压力/温度双参量渗压
计。