光纤传感器

基本概念与系统组成

光纤传感器广义上指采用光导纤维的传感器。其一般工作形式是：光源发出的光经光纤传输到被检测对象，被测量通过光纤本身特性或外加敏感元件对光波进行调制，使光波特征参量发生变化，再经光纤送到光探测器，经接收解调后变成电信号，从而得到被测信号。

光纤传感器系统通常包括光源、光纤（或光纤敏感环节）、光探测器及信号处理电路。光源要求体积小、波长合适、亮度足够、稳定性好、噪声小、寿命长；常用非相干光源有白炽光、发光二极管，相干光源有各种激光器，如氦氖激光器、半导体激光二极管。光探测器的作用是把光信号转换成电信号，常用光敏二极管、光敏晶体管、光电倍增管等，其线性度、灵敏度、带宽等影响传感器总体性能。

光纤传感器分类

按光纤在传感器中功能不同，分为功能型（传感型）和非功能型（传光型）。功能型光纤传感器利用光纤本身特性，把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使光的强度、相位、频率或偏振等特性变化，再解调得出被测信号。非功能型光纤传感器利用其他敏感元件感受被测量变化，光纤只作为光的传输介质。

按被调制光波参数不同，光纤传感器分为强度调制型、相位调制型、偏振（态）调制型和频率调制型。将光视为简谐振荡电磁波，电场分量可表示为 E=E₀sin(ωt+φ)，光被调制的四个参数分别为光强度（|E₀|²）、相位（φ）、偏振态（E 的矢量方向）和频率（ω）。

强度调制光纤传感器中，光源发射的光经入射光纤传输到调制器，调制器可由可动反射器等组成，反射光强随被测量变化，光探测器接收光强变化信号，经解调得到被测物理量。也可采用可动透射调制器或内调制型（微弯调制）等。

相位调制光纤传感器将光纤的光分为两束，一束相位受外界信息调制，一束作为参考光，两束光叠加形成干涉条纹，通过检测干涉条纹变化确定相位变化，从而测出待测物理量。调制机理分为两类：一类将机械效应转变为相位调制，如应变、位移、声压等通过机械元件转换成光纤光学量变化；另一类利用光学相位调制器将压力、转动等信号直接转变为相位变化。

波长（频率）调制光纤传感器可利用多普勒效应：单色光照射到运动物体上，反射光频率发生变化。当 v/c << 1 时，频移后频率可近似表示为 f' ≈ fᵢ(1 ± v/c)，其中 f' 为反射光频率，fᵢ 为入射光频率，v 为物体运动速度，c 为光速。该式对应光源与观察者之间一次相对运动（或单次散射）的近似；对于移动目标反射回波的单站收发情形，入射和回波两段多普勒几何叠加，沿视线方向回波频移近似为 Δf ≈ ±2vᵢfᵢ/c，其中 vᵢ 为物体速度沿视线方向的分量，符号由相对运动方向决定。

系统由光源、敏感或外部调制环节、传输光纤、光电探测及信号处理组成。功能型利用光纤本身敏感，非功能型由外部环节调光、光纤传输。可按强度、相位、频率、偏振或波长调制分类。电学读出部分仍受噪声、温漂和带宽限制。