光纖傳感器

       光纖傳感器是一種將被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的傳感器。光纖傳感器的工作原理是將光源入射的光束經(jīng)由光纖送入調(diào)制器，在調(diào)制器內(nèi)與外界被測(cè)參數(shù)的相互作用， 使光的光學(xué)性質(zhì)如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化，成為被調(diào)制的光信號(hào)，再經(jīng)過(guò)光纖送入光電器件、經(jīng)解調(diào)器后獲得被測(cè)參數(shù)。整個(gè)過(guò)程中，光束經(jīng)由光纖導(dǎo)入，通過(guò)調(diào)制器后再射出，其中光纖的作用首先是傳輸光束，其次是起到光調(diào)制器的作用。

概述

       近年來(lái)，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過(guò)程中，光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能；絕緣、無(wú)感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)），或者對(duì)人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

工作原理

       光纖傳感器的基本工作原理是將來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱(chēng)為被調(diào)制的信號(hào)光，在經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。

優(yōu)點(diǎn)

       一、靈敏度較高；

       二、幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖傳感器； 

       三、可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件； 

       四、可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境； 

       五、而且具有與光纖遙測(cè)技術(shù)的內(nèi)在相容性。

應(yīng)用

       光纖傳感器應(yīng)用：磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測(cè)量。

分類(lèi)

       ① 傳光型光纖傳感器 以多模光導(dǎo)纖維來(lái)傳輸光信號(hào)，根據(jù)光接受強(qiáng)度不同進(jìn)行測(cè)量，而對(duì)被測(cè)參數(shù)起檢測(cè)作用的是其他敏感元件。這種傳感器多用于工業(yè)檢測(cè)液位、壓力、形變、溫度、流速、電流、磁場(chǎng)等。它的優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，缺點(diǎn)是靈敏度低。圖1[ 光纖液位傳感器]為光纖液位傳感器的原理示意圖。

       ② 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器 在壓力作用下光纖產(chǎn)生微彎變形導(dǎo)致光強(qiáng)度變化，從而引起光纖傳輸損耗的改變，并由吸收、發(fā)射或折射率變化來(lái)調(diào)制發(fā)射光，可制成微彎效應(yīng)的光纖壓力傳感器（圖2[ 微彎效應(yīng)光纖壓力傳感器]）。由于齒板的作用，在沿光纖光軸的垂直方向上加有壓力時(shí)，光纖產(chǎn)生微彎變形，光波導(dǎo)方式改變，傳輸損耗增加。這種傳感器具有較高的靈敏度。此外，利用光學(xué)編碼盤(pán)配合光纖可制成數(shù)字式光纖壓力傳感器。 

       ③ 偏振調(diào)制型光纖傳感器 單模光導(dǎo)纖維的偏振特性極易受到外界各種物理量的影響，如在高電場(chǎng)下的克爾效應(yīng)和在強(qiáng)磁場(chǎng)下的法拉第效應(yīng)，利用這一原理可制成大電流、高電壓測(cè)試傳感器（圖3[ 偏振光面變化檢測(cè)原理圖]）

       ④ 相位調(diào)制型光纖傳感器 用單模光導(dǎo)纖維構(gòu)成干涉儀，外界各種物理量的影響因素能導(dǎo)致光導(dǎo)纖維中光程的變化，從而引起干涉條紋的變動(dòng)。圖4[ 干涉儀式光纖溫度傳感器]

       光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，可以用來(lái)測(cè)量多種物理量，比如聲場(chǎng)、電場(chǎng)、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)難以完成的測(cè)量任務(wù)。在狹小的空間里，在強(qiáng)電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨(dú)特的能力。目前光纖傳感器已經(jīng)有70多種，大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。

       所謂光纖自身的傳感器，就是光纖自身直接接收外界的被測(cè)量。外接的被測(cè)量物理量能夠引起測(cè)量臂的長(zhǎng)度、折射率、直徑的變化，從而使得光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庠谡穹?、相位、頻率、偏振等方面發(fā)生變化。測(cè)量臂傳輸?shù)墓馀c參考臂的參考光互相干涉（比較），使輸出的光的相位(或振幅)發(fā)生變化，根據(jù)這個(gè)變化就可檢測(cè)出被測(cè)量的變化。光纖中傳輸?shù)南辔皇芡饨缬绊懙撵`敏度很高，利用干涉技術(shù)能夠檢測(cè)出10的負(fù)4次方弧度的微小相位變化所對(duì)應(yīng)的物理量。利用光纖的繞性和低損耗，能夠?qū)⒑荛L(zhǎng)的光纖盤(pán)成直徑很小的光纖圈，以增加利用長(zhǎng)度，獲得更高的靈敏度。

       光纖聲傳感器就是一種利用光纖自身的傳感器。當(dāng)光纖受到一點(diǎn)很微小的外力作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力發(fā)生很大的變化。聲音是一種機(jī)械波，它對(duì)光纖的作用就是使光纖受力并產(chǎn)生彎曲，通過(guò)彎曲就能夠得到聲音的強(qiáng)弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種，與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本低，可以用于飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈等的高性能慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。如圖就是光纖傳感器渦輪流量計(jì)的原理。

       光纖傳感器流量計(jì)原理如下：

       另外一個(gè)大類(lèi)的光纖傳感器是利用光纖的傳感器。其結(jié)構(gòu)大致如下：傳感器位于光纖端部，光纖只是光的傳輸線，將被測(cè)量的物理量變換成為光的振幅，相位或者振幅的變化。在這種傳感器系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的傳感器和光纖相結(jié)合。光纖的導(dǎo)入使得實(shí)現(xiàn)探針化的遙測(cè)提供了可能性。這種光纖傳輸?shù)膫鞲衅鬟m用范圍廣，使用簡(jiǎn)便，但是精度比第一類(lèi)傳感器稍低。

       光纖在傳感器家族中是后起之秀，它憑借著光纖的優(yōu)異性能而得到廣泛的應(yīng)用，是在生產(chǎn)實(shí)踐中值得注意的一種傳感器。

       光纖傳感器憑借著其大量的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為傳感器家族的后起之秀，并且在各種不同的測(cè)量中發(fā)揮著自己獨(dú)到的作用，成為傳感器家族中不可缺少的一員。

調(diào)試方法和過(guò)程

       光纖傳感器的調(diào)試方法和過(guò)程可以按照以下步驟進(jìn)行：

一、準(zhǔn)備工作

       確保光纖傳感器及其相關(guān)設(shè)備已正確安裝并連接。

       檢查光纖傳感器及連接線路是否完好無(wú)損，確保沒(méi)有損壞或斷裂的情況。

二、調(diào)試步驟

       選擇適當(dāng)?shù)墓庠矗焊鶕?jù)傳感器的檢測(cè)范圍和檢測(cè)要求，選擇合適波長(zhǎng)的光源。一般來(lái)說(shuō)，波長(zhǎng)在650到900納米之間的激光光源效果較好。

       調(diào)整放大器增益：先將光源的功率調(diào)整到合適的范圍，然后根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的大小調(diào)節(jié)放大器的增益，以確保信號(hào)能夠被準(zhǔn)確地檢測(cè)并顯示。

       調(diào)整光纖位置：調(diào)整光纖的位置，使其與被檢測(cè)對(duì)象有適當(dāng)?shù)慕佑|，并確保光源的光線可以被光纖正確地傳遞。這可以通過(guò)微調(diào)光纖末端的位置或調(diào)整固定光纖的夾具來(lái)完成。

       設(shè)定門(mén)坎值：根據(jù)具體情況設(shè)定門(mén)坎值。例如，在無(wú)被測(cè)物塊狀況下，可以通過(guò)撥到SET方式并按UP/DOWN鍵來(lái)設(shè)定門(mén)坎值。門(mén)坎值的設(shè)定應(yīng)基于當(dāng)前光數(shù)值，并考慮到檢測(cè)精度和穩(wěn)定性的需求。

       進(jìn)行校準(zhǔn)：根據(jù)具體需求選擇適當(dāng)?shù)男?zhǔn)方式，如全自動(dòng)校準(zhǔn)、兩點(diǎn)校準(zhǔn)、一般校準(zhǔn)或位置校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)過(guò)程中，需要按照傳感器的說(shuō)明書(shū)或調(diào)試指南進(jìn)行操作，以確保校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。

       測(cè)試與驗(yàn)證：在完成調(diào)試后，需要對(duì)光纖傳感器進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，以確保其能夠正常工作并滿足檢測(cè)要求。這包括在不同條件下對(duì)傳感器進(jìn)行檢測(cè)，觀察其響應(yīng)和準(zhǔn)確性。

三、注意事項(xiàng)

       在調(diào)試過(guò)程中，應(yīng)遵循傳感器的使用說(shuō)明和安全規(guī)范，避免對(duì)傳感器或相關(guān)設(shè)備造成損壞。

       調(diào)試完成后，應(yīng)定期對(duì)光纖傳感器進(jìn)行維護(hù)和檢查，以確保其長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

       通過(guò)以上步驟和注意事項(xiàng)，可以有效地完成光纖傳感器的調(diào)試工作，確保其能夠正常工作并滿足實(shí)際應(yīng)用需求。