光纖傳感器原理
光纖傳感器
光纖傳感器(FOS)越來(lái)越受歡迎并獲得市場(chǎng)認(rèn)可。與傳統(tǒng)傳感器相比，它們提供了許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，這使得它們對(duì)于某些類型的應(yīng)用是獨(dú)特的，主要是傳統(tǒng)傳感器難以或不可能部署或不能提供相同豐富的信息。
光纖傳感器的類型
根據(jù)被測(cè)量的空間分布(待測(cè)量的數(shù)量)，F(xiàn)OS可歸類為……
點(diǎn)傳感器：測(cè)量在空間中的單個(gè)點(diǎn)進(jìn)行，但可能有多個(gè)通道用于尋址多個(gè)點(diǎn)。
示例是法布里 – 珀羅傳感器和單光纖布拉格光柵(FBG)傳感器。
集成傳感器：測(cè)量平均特定空間部分的物理參數(shù)，并提供單個(gè)值。一個(gè)例子是變形傳感器測(cè)量長(zhǎng)基部長(zhǎng)度的應(yīng)變。
準(zhǔn)分布式或多路復(fù)用傳感器：被測(cè)量沿著單根光纖在許多固定的離散點(diǎn)處確定光纜。最常見(jiàn)的例子是多路復(fù)用FBG。
分布式傳感器：在單個(gè)光纜的任何點(diǎn)處以一定的空間分辨率測(cè)量感興趣的參數(shù)。實(shí)例包括基于瑞利，拉曼和布里淵散射的系統(tǒng)。
光纖傳感器的一般優(yōu)點(diǎn)
完全被動(dòng)：可用于爆炸性環(huán)境。
免受電磁干擾：適用于微波環(huán)境。
耐高溫和化學(xué)反應(yīng)環(huán)境：
適用于惡劣和惡劣的環(huán)境。
體積?。哼m用于嵌入和表面安裝。
高度的生物相容性，非侵入性和電磁免疫：適用于主動(dòng)脈內(nèi)球囊泵血等醫(yī)療應(yīng)用。
可以監(jiān)測(cè)各種物理和化學(xué)參數(shù)。
具有極高靈敏度，范圍和分辨率的潛力。
從高靜電電位完全電絕緣。
遠(yuǎn)距離操作超過(guò)幾公里長(zhǎng)度，沒(méi)有任何鉛敏感性：非常適合在鉆孔中部署或在危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量。
多路復(fù)用和分布式傳感器的獨(dú)特之處在于它們沿著單根光纜在大量點(diǎn)提供測(cè)量：非常適合最小化電纜布線和電纜重量，或用于監(jiān)控管道，水壩等擴(kuò)展結(jié)構(gòu)。
下面我們簡(jiǎn)要介紹光纖的工作原理和每種傳感器。
光纖
光纖由薄的低損耗玻璃線組成，其中心或核心區(qū)域的折射率略高于其周圍區(qū)域或包層。
階躍折射率光纖的示意圖
通過(guò)芯 – 包層界面處的全內(nèi)反射，光在芯區(qū)域內(nèi)被引導(dǎo)。根據(jù)核心區(qū)域的大小，允許一個(gè)或多個(gè)光路(模式)
傳播，稱為單?；蚨嗄９饫w。通常情況下，裸光纖的外徑為125μm，單模光纖的纖芯直徑為9μm，多模光纖的纖芯直徑為50μm 或62.5μm。應(yīng)用不同的保護(hù)涂層以保護(hù)光纖免受可能的機(jī)械損壞。
基于FABRY-PEROT腔的點(diǎn)傳感器考慮
基于法布里 – 珀羅腔的壓力傳感器示意圖
基本上，它由一對(duì)由空氣隔開(kāi)的平行鏡組成差距Ls。這種布置被稱為法布里 – 珀羅(FP)腔或傳感干涉儀。
通過(guò)在光纖的末端沉積介電層來(lái)形成半反射鏡1 。鏡子2由安裝在前面的隔膜形成光纖。將隔膜暴露于待測(cè)量的壓力p會(huì)改變間隙Ls。因此，通過(guò)測(cè)量Ls，可以確定施加的壓力p。通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇隔膜的厚度和直徑可以適應(yīng)不同的壓力范圍，以保持相似值的最大偏轉(zhuǎn)并保持壓力和偏轉(zhuǎn)之間的線性關(guān)系。
用于光學(xué)測(cè)量間隙Ls的優(yōu)選光源是所謂的白光或?qū)拵Ч庠?。它同時(shí)發(fā)出各種顏色的光(相當(dāng)于寬波長(zhǎng)帶)。由此產(chǎn)生的光
看起來(lái)沒(méi)有特定的顏色，即它看起來(lái)是白色的。在相反的激光，所述光作為大批產(chǎn)生的短脈沖。這些脈沖以隨機(jī)方式發(fā)射，它們之間沒(méi)有固定的相位關(guān)系。結(jié)果，它們不相互作用或相互干擾，并且對(duì)于下面的內(nèi)容，僅考慮單個(gè)脈沖就足夠了。接下來(lái)，考慮如果FP腔被白光源照射會(huì)發(fā)生什么。在光纖中朝向FP腔引導(dǎo)的入射光在第一反射鏡處被部分反射。剩余的光被透射并隨后被第二反射鏡反射。因此，原始光脈沖被分成兩個(gè)返回脈沖，第二脈沖相對(duì)于第一脈沖延遲t = 2Ls / c，c表示光速。 如果從相同的兩個(gè)脈沖產(chǎn)生干擾(并且因此，包含關(guān)于Ls的信息的信號(hào))，則僅發(fā)生干擾原始脈沖可以再次重疊。這是通過(guò)采用第二(或讀出)干涉儀來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
白光傳感器系統(tǒng)示意圖
例如，干涉儀由兩個(gè)非平行的鏡子組成，以透射方式工作?？梢钥闯?，氣隙Lr(x)取決于沿鏡子的位置x，并且在位置x0處產(chǎn)生最大干涉信號(hào)，其中Lr(x0)與傳感干涉儀的間隙Ls精確匹配。該位置x0很容易由安裝在鏡子后面的CCD陣列確定。
在實(shí)踐中，用雙折射楔形布置替換構(gòu)成讀出干涉儀的兩個(gè)非平行鏡是有益的，其細(xì)節(jié)可以在可下載的信息中找到- 點(diǎn)擊這里。采用相同的基本原理，可以構(gòu)建用于測(cè)量不同量的全系列傳感器。例子包括溫度，位移，應(yīng)變，力和折射率，如下所示?；谄?干涉儀的位置傳感器示意圖基于法布里 – 珀羅 干涉儀的應(yīng)變/力傳感器 示意圖基于偏振 干涉儀的溫度傳感器示意圖6.集成傳感器
它基于與點(diǎn)光傳感器部分所述相同的白光干涉測(cè)量基本原理以上。來(lái)自白光源的光通過(guò)光纖傳輸?shù)焦鈱W(xué)傳感器。這里的傳感器由一個(gè)光纖耦合器組成，該光纖耦合器分成兩根不同長(zhǎng)度的光纖，每端都有一個(gè)微型鏡子。參考該配置作為Mach-Zehnder或傳感干涉儀。入射光脈沖由耦合器分成兩個(gè)脈沖，并且在返回時(shí)，兩個(gè)脈沖在時(shí)間上分開(kāi)t = 2nLs / c，其中n表示玻璃纖維的折射率，Ls 表示纖維的長(zhǎng)度差異和c光速。一根光纖連接到被測(cè)結(jié)構(gòu)上，而另一根光纖非常接近但沒(méi)有連接。結(jié)構(gòu)的變形導(dǎo)致路徑差2nLs 的變化。在這種情況下，它通過(guò)使用掃描移動(dòng)設(shè)備來(lái)測(cè)量
第二(接收)干涉儀中的鏡子安裝在讀取單元中。如前所述，如果感測(cè)干涉儀2nLs 的路徑差與接收干涉儀2Lr 的路徑差完全匹配，則僅發(fā)生最大干擾信號(hào)。傳感器與溫度無(wú)關(guān)，因?yàn)槿魏螠囟茸兓紩?huì)對(duì)兩根光纖產(chǎn)生相同的影響，從而使路徑差異保持不變。該在該纖維安裝在錨固點(diǎn)之間的距離的結(jié)構(gòu)被稱為堿基長(zhǎng)度。它可以設(shè)置在10厘米到10米之間，導(dǎo)致基本長(zhǎng)度上的平均應(yīng)變被測(cè)量。
7.準(zhǔn)分布式或多路復(fù)用傳感器最常見(jiàn)的準(zhǔn)分布式光學(xué)傳感器之一基于光纖布拉格光柵(FBG)。通過(guò) 在折射率上引入間距L 的周期性調(diào)制，沿光纖的短截面形成FBG。在每個(gè)周期，一小部分光被反射回來(lái)，導(dǎo)致在稱為布拉格波長(zhǎng)的特定波長(zhǎng)處的強(qiáng)反射。布拉格波長(zhǎng)l B由l B = 2n L給出，其中n為纖維的折射率。只有在這個(gè)波長(zhǎng)下，所有分?jǐn)?shù)才會(huì)相位相加，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射信號(hào)。
光柵的多路傳感器示意圖。當(dāng)FBG受到應(yīng)變或暴露于熱時(shí)，光柵間距 L和折射率n都受到影響，布拉格波長(zhǎng)也相應(yīng)地
移動(dòng)。這提供了應(yīng)變和溫度的量度。由于兩種效應(yīng)同時(shí)發(fā)生，因此需要采取其他措施來(lái)區(qū)分它們。對(duì)于例如，測(cè)量當(dāng)應(yīng)變的第二FBG沒(méi)有連接到被測(cè)結(jié)構(gòu)可以部署在第一個(gè)FBG旁邊，以提供溫度補(bǔ)償。FBG的巨大好處是可以沿 光纖部署多個(gè)FBG，每個(gè)FBG具有 不同的布拉格波長(zhǎng)l 1，l 2，… l N.這在單根電纜內(nèi)提供N個(gè)測(cè)量點(diǎn)。可調(diào)諧激光源用于照射傳感器陣列。在掃描期間，每次激光波長(zhǎng)相匹配的布拉格波長(zhǎng)中的一個(gè)升我強(qiáng)烈背反射信號(hào)被記錄提供關(guān)于溫度和信息在位置i的應(yīng)變。
8.分布式傳感器
在分布式傳感器中，在單個(gè)光纜的任何點(diǎn)處以一定的空間分辨率測(cè)量感興趣的參數(shù)。用于實(shí)現(xiàn)分布式傳感器的基本基礎(chǔ)物理過(guò)程由各種散射過(guò)程提供。當(dāng)激光沿光纖傳播時(shí)，少量光沿光纖在每個(gè)位置連續(xù)散射回來(lái)。三種基本的散射過(guò)程在二氧化硅纖維中很重要：
由于隨機(jī)反射引起的瑞利散射在制造纖維期間冷凍的折射率的不均勻性。由于與分子振動(dòng)和玻璃中的旋轉(zhuǎn)相互作用而產(chǎn)生的拉曼散射。
布里淵散射是由于與光纖中的聲波(聲學(xué)聲子)產(chǎn)生的不均勻性相互作用。當(dāng)分析波長(zhǎng)域中的反向散射光時(shí)，
發(fā)現(xiàn)瑞利散射分量與入射光具有相同的波長(zhǎng)l 0。有兩個(gè)拉曼分量偏移相同的量(斯托克斯分量)和低于l0(反斯托克斯組件)。類似地，布里淵背向散射由兩個(gè)在低于和高于l 0的
圖7 – 分布式布里淵傳感器的示意圖
