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光纤传感器的工作原理、分类及应用领域全面解析

 2025年04月04日  阅读 13

摘要:还包含光调制器、光探测器以及解调制器。其基本原理为:先将光源的光通过入射光纤送入调制区内。接着,光在调制区内与外界被测参数产生相互作用,从而使光的光学性质发生改变,进而成为被调制的信号光。最后,再经由出射光纤将其送入光探测器和解调器,以此获得被测参数。如果按...

还包含光调制器、光探测器以及解调制器。其基本原理为:先将光源的光通过入射光纤送入调制区内。接着,光在调制区内与外界被测参数产生相互作用,从而使光的光学性质发生改变,进而成为被调制的信号光。最后,再经由出射光纤将其送入光探测器和解调器,以此获得被测参数。

如果按照光在光纤中被调制的原理存在差异,那么可以把光纤传感器分成以下几种类型:有强度被调制的类型、有相位被调制的类型、有偏振态被调制的类型、有频率被调制的类型、有波长被调制的类型等。

光纤传感器依据传感原理可分为传光型传感器和传感型传感器。传光型光纤传感器中,光纤仅作为光的传输媒介,依靠其他敏感元件来感受被测信号,此传感器的出射光纤和入射光纤不连续,两者之间的调制器是对光谱变化敏感的元件或其他性质敏感的元件。在传感型光纤传感器里,光纤具备对被测信号的敏感功能,同时也有光信号的传输作用。它会把信号的“感”与“传”融合在一起,正因如此,这类传感器中的光纤是连续不断的。

从基本原理而言,光纤传感器会依据所测试的外部环境参数的变化,对其传播的光波的一个或多个属性进行改变,像强度、相位、偏振状态以及频率等。非国定型 C 混合型光纤传感器只是把光纤当作光波在设备与传感元件之间的传输媒介,然而国定型光纤传感器是把光纤自身当作传感元件来使用。

光纤传感技术的核心是纤细的玻璃线即光纤条,光波能够在它的中心进行传播。光纤主要由三个部分构成,分别是纤芯(core)、包层以及保护部分。其中包层可以将纤芯发出的杂散光波反射回纤芯内,以此来确保光波在纤芯中具有较低的传输损耗。这个功能的实现原理在于:纤芯的光折射率比包层的折射率要高。如此一来,当光波从纤芯传播到包层时,就会发生全内反射。外面的保护层起到保护作用,能够避免外界环境或外力对光纤造成损害。并且,根据需要以及保护程序的差异,可以使用多层保护层。

光纤传感器是近几年新出现的技术。它能够用来测量多种物理量,像声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等。并且还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在空间较为狭小的情况下,以及在强电磁干扰和高电压的环境中,光纤传感器都展现出了独特的能力。目前,光纤传感器已经有 70 多种,大致可分为光纤自身传感器和利用光纤的传感器。

光纤传感器的主要特点

光纤传感器具备高灵敏度这一特性。它能够耐高温。还可以抗电磁干扰,不会产生电火花。具有高绝缘性。能耐魔蚀。能够在有毒的气体环境和强辐射的现场工作。并且它的尺寸小,挠曲随意性强。正因如此,它被广泛应用于军事、电力工程、机械制造、石油化工、交通运输、核工程、计量以及医学、生物工程等诸多方面。

著名传感器线上商城工采网从加拿大进口了三款光纤压力传感器。其中一款是专为医疗领域设计的超小体积光纤压力传感器 - FOP-125,其体积可达到 125 微米,精度很高。另一款主要用于可能出现高温的场合,像航空和国防领域。此款传感器是恶劣和危险环境下一般工业应用的光纤压力传感器 - FOP-M,同时也是专为医疗领域设计的小体积、高精度的传感器。它完全抗电磁干扰,对人体本质安全,可用于颅内压、肺部压力、动脉血压等方面,即光纤压力传感器 - FOP-M260。

光纤压力传感器 - FOP-M 是为宇航和国防的高温领域所设计的。它能够承受 150℃(302°F)的高温。其与大多数传统压力传感器设计存在差异,采用了独特的硅晶体振动膜的偏转设计。该传感器完全不会受到电磁和射频干扰,其内在可靠性适用于危险且高温的环境。

著名传感器线上商城工采网从加拿大进口了三款光纤温度传感器。这三款传感器质量与性能齐飞,应用于不同领域。其中一款是非常适合在极端环境下测量温度的光纤温度传感器 - FOT-L-BA 型号;另一款是光纤温度传感器 FOT-L-SD 型号;还有一款是特别为一些电子爆炸环境当中温度的测量而开发的光纤温度传感器 - FOT-HERO。

光纤传感头端部进行了 Cr3+离子掺杂,这样就能在光激励时实现荧光发射。掺杂的那部分光纤长度为 8 至 10 毫米。端部光纤的外表面还镀覆了黑体腔,用于辐射测温。此时,光纤黑体腔的长度与直径之比大于 10,能够满足黑体腔表观辐射率恒定的要求。值得注意的是,要避免荧光发射部分与热辐射部分相互干扰,或者减少这种相互干扰,这对于保证整个系统的性能是十分重要的。

经过分析, 可以发现这种干扰主要表现为:

1) 荧光信号中辐射背景信号对荧光寿命检测精度的影响,

2) 光纤表面镀覆对荧光强度的影响,

3) 光纤内Cr3+离子掺杂对黑体腔热辐射信号的影响。

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