光纤传感器：原理、应用及构成

光导纤维（简称光纤）是一种传输光信息的导光纤维。它的结构是一种由纤芯、包层和外套三个同心圆柱组成的多层介质。用于导光的纤芯是由石英玻璃丝制成的，其直径为5～75μm，围绕纤芯的是一层圆柱形包层，其直径为100～200μm，包层外面常有塑料或尼龙外套，其作用是保护纤芯和包层并使光纤具有一定的机械强度，另一方面以颜色区分各种光纤。

图4.6.1　光纤结构示意图

光主要在纤芯中传输，光纤的导光能力主要取决于纤芯和包层的性质，即它们的折射率。纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2，典型的数值是n1=1.46～1.51，n2=1.44～1.50。

在光纤的入射端，光线从空气中以入射角Φ0射入光纤，在光纤内折射成角Φ1，然后以θ1=90°-Φ1角入射到纤芯与包层的界面。在角2Φc之间的入射光，除了在玻璃中吸收和散射之外，大部分在界面上产生多次反射，而以锯齿形的线路在光纤中传播，在光纤的末端以入射角相等的出射角射出光纤。这就是光纤传光原理。

在检测领域中将光导纤维的应用与传统的光电检测技术相结合就产生了一种新型传感器——光导纤维传感器，简称光纤传感器。光纤传感器就是利用外界因素（如温度、压力、磁场、位移等）改变光纤中光的特征参量（如振幅、相位、波长、偏振方向等），从而对外界因素进行测量和数据传输，并对被调制过的光波信号进行解调检测，从而获得待测量值的一种装置。光纤传感器主要由光导纤维、光源和光探测器组成。半导体光源具有体积小、质量轻、寿命长、耗电少等特点。常用的有半导体发光二极管和半导体激光二极管。光纤传感器的光探测器一般为半导体光敏组件。

图4.6.2　光纤传光原理

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1.光纤加速度传感器

如图4.6.3所示，激光束通过分光板后分为两束，其中透射光作为参考光束，反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时，由于质量块M对光纤的作用，使光纤被拉伸引光程差的改变。相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。激光干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号，经过电路处理后便可正确地测出加速度值。

图4.6.3　光纤加速度传感器原理图

2.光纤压力传感器

如图4.6.4所示，其中1是入射光纤，2是气隙，3是出射光纤，4是钢板，5是被测对象，6是光纤光源连接头，7是光纤接收连接头。它利用强度调制型光纤原理制成的，测量光纤固定在钢板上，入射光纤通过光纤插头6与光源连接，出射光纤由连接头7与光电接收仪器连接。钢板用螺栓固定在被测物体表面，它将随被测物体一起受到应力作用面产生形变，引起入射光纤与出射光纤之间的气隙变化，使光电检测器接收到的光强度发生变化。测量电路根据受力前后发光强度变化计算出对应的应力。

图4.6.4　光纤压力传感器示意图