【E課堂】光纖傳感器的組成結(jié)構(gòu)，光纖傳感器的應(yīng)用及其優(yōu)缺點(diǎn)

　　傳感技術(shù)是當(dāng)今世界發(fā)展最為迅速的高新技術(shù)之一。新型傳感器不僅追求高精度、大量程、高可靠、低功耗和微型化，并且向著集成化、多功能、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，以滿足工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科研等各個(gè)領(lǐng)域的需求。光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代隨著光纖技術(shù)和光通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的。它代表了新一代傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。光纖傳感器的產(chǎn)業(yè)已被國內(nèi)外公認(rèn)為最具有發(fā)展前途的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，它以技術(shù)含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、滲透能力強(qiáng)、市場(chǎng)前景廣等特點(diǎn)為世人所矚目。

　　光纖最早的出現(xiàn)的目的是用于傳輸光，在20世紀(jì)70年代初生產(chǎn)出低損耗光纖后，光纖用于長距離傳遞信息，是光纖通信的基石，也可以豪不夸張的說光纖也是現(xiàn)代信息社會(huì)的基石。由于光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質(zhì)，而且光波在光纖中傳播的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長等)會(huì)因外界因素(如溫度、壓力、應(yīng)變、振動(dòng)、聲音、磁場(chǎng)、折射率、扭曲、等)的作用而間接或直接地發(fā)生變化，分析這些變化就可以得到外界作用的某些性質(zhì)，從而可將光纖用作傳感器元件來探測(cè)各種物理量、化學(xué)量和生物量，這就是光纖傳感器的基本原理。

　　光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)由光源、傳輸光纖和光檢測(cè)部分組成。考慮到光纖傳輸已經(jīng)很簡(jiǎn)單，通常一套完整的光纖傳感器主要由傳感器和解調(diào)儀構(gòu)成。光源發(fā)出的光耦合進(jìn)光纖，經(jīng)光纖進(jìn)入調(diào)制區(qū);在調(diào)制區(qū)內(nèi)外界被測(cè)參數(shù)作用于進(jìn)入調(diào)制區(qū)內(nèi)的光信號(hào)，使其光學(xué)性質(zhì)如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化成為被調(diào)制的信號(hào)光：再經(jīng)過光纖送入光檢測(cè)器，光檢測(cè)器對(duì)進(jìn)來的光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，輸出電信號(hào);最后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理而得到可用信號(hào)，從而獲得被測(cè)參數(shù)。

　　光纖傳感器的組成結(jié)構(gòu)

　　光纖傳感器網(wǎng)的三種基本構(gòu)成

　　光纖傳感器網(wǎng)有三種基本構(gòu)成，其中一個(gè)叫單點(diǎn)式傳感器。一根光纖在這里僅僅起到傳輸?shù)淖饔?，另外一種叫多點(diǎn)式傳感器，在這里一根光纖把很多傳感器串起來，這樣很多傳感器可以共用光源實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性監(jiān)測(cè)。再有就是智能光纖傳感器。

　　多點(diǎn)式光纖傳感器，從外表看就是一節(jié)光柵，通過紫外線照射發(fā)現(xiàn)有周期性的間隔。當(dāng)有光纖入射的時(shí)候，如果光纖的波長正好等于間隔的兩倍，那么這個(gè)光波將會(huì)受到強(qiáng)烈的反射，而如果光纖受到溫度變化或者應(yīng)變等等，這個(gè)反射波長將會(huì)發(fā)生變化，這種傳感器在一根光纖上可以做很多個(gè)，把它連接起來就可以用于各種各樣的傳感應(yīng)用。

　　因?yàn)楣饫w是軟的，它可以兩維、三維，所以橫軸是空間的位置，縱軸是測(cè)量對(duì)象。這樣一個(gè)傳感網(wǎng)解決了什么問題呢?它解決了在什么位置上發(fā)生了什么事情，那個(gè)事情有多少個(gè)強(qiáng)度的問題，也就是提供了兩維的信息。這就是智能光纖傳感器所需要解決的問題，它有非常突出的特點(diǎn)要求，包括體積小、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，可植入材料中。抗電磁干擾、耐環(huán)境。

　　光纖傳感器已經(jīng)成功應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。我們看到A-380和波音787，它們的特點(diǎn)是超過一半數(shù)量是碳纖維，比如說碳纖維符合樹脂有幾種缺失，一個(gè)是層與層之間的剝離，由于這種材料比較強(qiáng)，所以很難像鋁合金材料那樣實(shí)行碳酸檢測(cè)，所以研究人員現(xiàn)在開始研究把光纖傳感器埋到復(fù)合材料當(dāng)中去，由于這種材料一層大概125微米的厚度，所以這種光纖傳感器必須是特別細(xì)小的光纖傳感器，大概直徑在50個(gè)微米左右。

　　我們說光纖傳感器網(wǎng)可以成為安全安心社會(huì)的神經(jīng)網(wǎng)。光纖傳感器網(wǎng)可以用語光纖通訊網(wǎng)的診斷技術(shù)。光纖傳感器網(wǎng)在安防方面已經(jīng)有很多的應(yīng)用，國內(nèi)有很多企業(yè)在這方面開展了卓有成效的工作。

　　光纖傳感器的應(yīng)用與其優(yōu)缺點(diǎn)

　　表1給出了各種光纖傳感器的作用機(jī)理，應(yīng)用領(lǐng)域以及優(yōu)缺點(diǎn)。

　　光纖傳感器應(yīng)用的注意事項(xiàng)

　　1.光纖

　　常見的光纖有階躍型和梯度型多模光纖及單模光纖，選用光纖必須考慮以下因素：

　　(1) 光纖的數(shù)值孔徑NA

　　從提高光源與光纖之間耦合效率的角度來看，要求用大的NA，但是NA越大，光纖的模色散越嚴(yán)重，傳輸信息的容量就越小。但是大多數(shù)光纖傳感器來講，不存在信息容量的問題，光纖以最大孔徑為宜，一般要求是：0.2≤NA《0.4。

　　(2) 光纖傳輸損耗

　　傳輸損耗是光纖的最重要的光學(xué)特性，很大程度上決定了遠(yuǎn)距離光纖通信中繼站的跨越，但是光纖傳感器系統(tǒng)中，大部分距離都比較短，長者不足4M，短的只有幾毫米。特別是作為敏感元件的特殊光纖，可放寬傳輸損耗的要求，一般損耗《10dB/km的光纖均可采用。

　　(3) 色散

　　色散是影響光纖信息容量的重要參量，如前所講，可放寬這方面的要求。

　　(4) 光纖的強(qiáng)度

　　對(duì)傳感器而言，都毫無例外的都要求較強(qiáng)的強(qiáng)度。

　　2.光源

　　(1) 白熾光源

　　白熾光源的輻射近似為黑體輻射。其優(yōu)點(diǎn)是：價(jià)格低廉，容易獲得，使用方便，但在傳感器中使用，由于輻射密度比較小，故只能與光纖束和粗芯階躍光纖配合使用。缺點(diǎn)是穩(wěn)定性比較差，壽命短。

　　(2) 氣體激光器

　　高相干性光源，容易實(shí)現(xiàn)單模工作，線性非常窄;輻射密度比較高，與單模光纖耦合效率高;噪聲比較小。

　　(3) 固體激光器

　　現(xiàn)在主要用固態(tài)銣離子激光器等，優(yōu)點(diǎn)是體積小，堅(jiān)固耐用、高效率、高輻射密度。光譜均勻而且比較窄，缺點(diǎn)是相干性和頻率穩(wěn)定性不如氣體激光器。

　　(4) 半導(dǎo)體激光器

　　是光纖傳感器的重要光源，主要LED，優(yōu)點(diǎn)是體積小巧、堅(jiān)固耐用、壽命長、可靠性高、輻射密度適中、電源簡(jiǎn)單。

　　光源很多，對(duì)光源的基本要求是一致的，必須使具有適當(dāng)特性的、功率足夠大的光達(dá)到檢測(cè)器，以確保檢測(cè)系統(tǒng)有足夠大的信噪比，遵循原則為：選擇輻射足夠強(qiáng)的光源，要求在敏感元件的工作波長上有最大的輻射功率;光源必須與光纖匹配，以獲得最好的耦合率;光源的穩(wěn)定性要好，能在長期的室溫下工作。

　　3.光電探測(cè)器

　　光電探測(cè)器是光電檢測(cè)中不可缺少的器件，把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。選擇準(zhǔn)則：在工作波段內(nèi)靈敏度要高;有檢測(cè)器引入的噪聲一定要小，因此要選用暗電流、漏電流和并聯(lián)電導(dǎo)盡可能小的器件;可靠性高、穩(wěn)定性好;尺寸小、便于組裝、容易與光纖耦合;偏壓或偏流不宜過高;價(jià)格低廉。