非功能型光纤传感器

定义与分类位置

按光纤在传感器中所起的作用，光纤传感器分为功能型与非功能型两类。非功能型光纤传感器（Non-function Fiber Sensor，NFF）中，光纤仅作为传光媒介，本身不承担敏感功能，必须在光纤端面加装其他敏感元件才能构成传感器。与之相对，功能型光纤传感器中光纤既传光又作为敏感元件，利用外界因素作用下光纤自身光特性的变化实现测量。

基本组成与信号链

典型非功能型光纤传感器由光源、发射（发送）光纤、外部敏感元件、接收光纤和光电探测器组成。信号链为：光源→发射光纤→外部敏感元件对光进行调制→接收光纤→光电探测器→电信号输出。被测量的作用点在被测对象与外部敏感元件之间，光纤只负责把光引到调制区并引回。因此其测量对象取决于所加敏感元件的结构，而不是光纤材料本身。

强度外调制原理

非功能型光纤传感器最常用的调制方式是光强度外调制，即让外部敏感元件改变耦合进接收光纤的光通量。按光路形式可分为反射式与折射式；按遮挡方式可分为移动式（端面重叠）与遮光式（光闸）。

反射式：反射物距调制

发射光纤与接收光纤共同指向一个反光物体。光源经发射光纤射到反光面，反射光的一部分进入接收光纤。接收光强随反光物体到光纤探头端面的距离而变化：距离过近时反射光斑尚未充分展开，进入接收光纤的光少；距离适中时反射光斑与接收光纤端面匹配较好，接收光强较大；距离继续增大时反射光斑扩散、单位面积光强下降，接收光强又减小。因此测出反射光强即可推知物距的变化。该方式适用于位移、距离、振动等能改变反射面位置的测量，其量程与灵敏度受光纤数值孔径、纤芯直径、两光纤间距及反光面反射率影响。

移动式：端面重叠调制

发送光纤与接收光纤相对放置，两光纤端面之间存在相对位移 $x$，中心间距为 $D$。发送光纤射出的光锥在接收光纤端面上形成光斑，改变 $x$ 即改变光斑与接收光纤端面的重叠面积，从而改变耦合进接收光纤的光通量，实现输出光强调制。当 $x=0$ 时两纤芯对准，重叠面积最大，输出光强最大；$x$ 增大时重叠面积减小，输出光强下降。该结构把位移直接转换为光强，属于遮光式（更准确地说是端面重叠式）强度调制。

遮光式：光闸位移调制

在发送光纤与接收光纤之间设置光闸（挡板）。光闸上下变位时，遮挡或放行部分光束，使到达接收光纤的光通量随挡板位移改变，从而调制输出光强。挡板位移与输出光强之间在挡板边缘扫过光路的区间内近似成线性关系，超出该区间后光强趋于饱和或截止。

符号、单位与条件

上述各式中，$x$ 为相对位移或挡板位移，单位 m；$D$ 为两光纤中心间距，单位 m；接收光功率单位 W 或相对值。反射式调制中，接收光强与物距的关系不是单调的，存在一个峰值距离，使用时应工作在峰值一侧的单调段，并保持反光面反射率稳定。所有强度调制型方案都要求光源输出稳定，否则光强变化无法唯一归因于被测量；同时光纤弯曲、连接损耗和探测器漂移都会引入误差，实际中常采用参考光路或双波长补偿。

适用范围

非功能型光纤传感器适用于被测量能通过外部敏感元件转换为光强、光斑位置或遮光面积变化的场合，如位移、距离、振动、表面粗糙度、液位等。其优点是光纤只传光，传感器结构简单、成本低、耐恶劣环境；缺点是强度调制易受光源波动和光纤传输损耗影响，精度和稳定性取决于具体调制方式、参考光路与读出电路，不能仅由功能型/非功能型分类判定。