光纤传感器的结构原理及分类

光纤温度传感器

1、光纤传感器结构原理

以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图 （a)。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置.由光发送器、敏感元件（光纤或非光纤的）、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见 图（b)。

由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时,光的某一性质受到被测量的调制,已调光经接收光纤耦合到光接收器,使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。

可见，光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。 光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起.因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即

A-—电场E的振幅矢量;ω——光波的振动频率;

φ——光相位；t——光的传播时间。

可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向）、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化,或受被测量调制,那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。

2、光纤传感器的分类

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

(1）根据光纤在传感器中的作用

光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类.

1）功能型（全光纤型)光纤传感器

利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤（或特殊光纤）作传感元件，将“传"和“感"合 为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素（弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等）的变化来实现“传”和“感" 的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续,增加其长度,可提高灵敏度。

1 光纤传感器工作原理图及分类

1.光纤传感器及其分类

由于光纤传感器具有不受电磁场干扰、传输信号安全、可实现非接触测量，而且具有高灵敏度、高精度、高速度、高密度、适应各种恶劣环境下使用以及非破坏性和使用简便等等一些优点。无论是在电量(电流、电压、磁场)的测量，还是在非电物理量(位移、温度、压力、速度、加速度、液位、流量等)的测量方面，都取得了惊人的进展。

光纤传感器分为物性型(或称功能型)与结构型(或称非功能型)两类。

2.工作原理

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。

2）结构型光纤传感器原理 2 结构型光纤传感器是由光检测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。

3.应用

光纤流速传感器

光纤流速传感器由多模光纤、光源、铜管、光电二极管及测量电路所组成。多模光纤插入顺流而置的铜管中，由于流体流动而使光纤发生机械变形，从而使光纤中传播的各模式光的相位发生变化，光纤的发射光强出现强弱变化。其振主幅的变化与流速成正比。

第26卷,第6期 光谱学与光谱分析Vol126,No16,pp1176211782006年6月 SpectroscopyandSpectralAnalysisJune,2006　

光纤传感器的分类及其应用原理

丁小平1,王　薇1,付连春2

1.首都师范大学物理系,北京　100037 2.中国纺织科学研究院北京中纺化工有限公司,北京　100025

摘　要　光纤传感器是一种有广泛应用前景的新型传感器。文章介绍了光纤传感器的基本原理、分类及其

优点。并分别阐述了光强调制型、相位调制型和偏振态调制型光纤传感器的应用原理及基本特点。

主题词　光纤传感器;调制;相位;偏振态

中图分类号:TH74411 文献标识码:A 文章编号:100020593(2006)0621176203

　收稿日期:2004209208,修订日期:2004212228　作者简介:丁小平,女,1950年生,首都师范大学物理系副教授引　言

光纤传感器是近几十年来迅速发展起来的一种新型传感

器。它具有抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高、重量轻、能

在恶劣环境下工作等一系列优点,因而具有广泛的应用前

景。目前已有测量温度、压力、位移、加速度、电流等多种物

理量的光纤传感器问世。本文从光纤传感器的类别出发,介

绍光强调制型、相位调制型、偏振态调制型等几类光纤传感

器的应用原理及基本特点。

1　光纤传感器及其分类

光纤是利用光的全反射原理来引导光波的。当光波在光

纤中传输时,表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波

长等),会由于被测参量(温度、压力、加速度、电场、磁场

等)对光纤的作用而发生变化,从而引起光波的强度、干涉

效应、偏振面发生变化,使光波成为被调制的信号光,再经

过光探测器和解调器从而获得被测参量的参数。

光纤传感器可以按传感原理分为两类,一类称为功能型

传感器,它的光纤对被测信号兼有敏感和传输的作用,即它

具有传与感合一的特点。另一类称为非功能型传感器,它的

光纤仅起传输的作用,而对被测信号的感觉则是利用其他光

光纤电流传感器的检测原理

光纤电流传感器的检测原理

光纤回转仪是MO CT （光纤电流互感器）的核心部件，它由光源，探测器，调节器，以及缠绕电流导线的光电探头组成。其中调节器是光纤电流 传感器 的核心部件，通过这套系统可以对电流进行精确测量，此项技术受２０多项国际专利保护。

光源发出的光通过波导传至线性偏光器，然后是偏振分离器（产生两束线性偏振光波），最后到达相位调节器。

然后这两束光通过光纤从控制室传到传感头；

两束偏振光通过1/4波长滤波器产生右旋和左旋偏振光；

两个光束在围绕导线的光纤环中传播，到达终点时遇到反射镜，光线沿同样的路径返回；

当光线环绕导线传播时，导线中的电流由于法拉第效应产生磁场，该磁场使两束光的相位产生偏移；

光波沿光路返回后，最终到达光学探测器，电子器件检测出相位漂移；

两束光波的相位偏移与导线的电流成正比，然后显示单元将电流数值以模拟量或数字量传至最终用户。

光纤回转仪最早由波音公司和霍尼韦尔公司共同研制，主要用于导弹巡航系统，1994年开始在电流测量领域的研发工作，1998年第一此投入商业应用。目前主要的生产厂家有：TRENCH，RITZ，ABB，ALSTOM，, GE ，SIEMENS，NGK，NXTPHASE等。

由于光纤回转仪也被用于导弹、飞机、有人工智能装置的小型炸弹等的导航系统，因此属于敏感及禁止出口器件。2001年，北京雄狮光电公司总裁由于购买光纤回转仪准备转运往中国大陆，被波士顿联邦法院判监禁两年半。