光纤传感器原理

光纤传感器

光纤传感器(FOS)越来越受欢迎并获得市场认可。与传统传感器相比，它们提供了许多独特的优点，这使得它们对于某些类型的应用是独特的，主要是传统传感器难以或不可能部署或不能提供相同丰富的信息。

光纤传感器的类型

根据被测量的空间分布(待测量的数量)，FOS可归类为……

点传感器：测量在空间中的单个点进行，但可能有多个通道用于寻址多个点。

示例是法布里 – 珀罗传感器和单光纤布拉格光栅(FBG)传感器。

集成传感器：测量平均特定空间部分的物理参数，并提供单个值。一个例子是变形传感器测量长基部长度的应变。

准分布式或多路复用传感器：被测量沿着单根光纤在许多固定的离散点处确定光缆。最常见的例子是多路复用FBG。

分布式传感器：在单个光缆的任何点处以一定的空间分辨率测量感兴趣的参数。实例包括基于瑞利，拉曼和布里渊散射的系统。

光纤传感器的一般优点

完全被动：可用于爆炸性环境。

免受电磁干扰：适用于微波环境。

耐高温和化学反应环境：

适用于恶劣和恶劣的环境。

体积小：适用于嵌入和表面安装。

高度的生物相容性，非侵入性和电磁免疫：适用于主动脉内球囊泵血等医疗应用。

可以监测各种物理和化学参数。

具有极高灵敏度，范围和分辨率的潜力。

从高静电电位完全电绝缘。

远距离操作超过几公里长度，没有任何铅敏感性：非常适合在钻孔中部署或在危险环境中进行测量。

多路复用和分布式传感器的独特之处在于它们沿着单根光缆在大量点提供测量：非常适合最小化电缆布线和电缆重量，或用于监控管道，水坝等扩展结构。

下面我们简要介绍光纤的工作原理和每种传感器。

光纤
光纤由薄的低损耗玻璃线组成，其中心或核心区域的折射率略高于其周围区域或包层。

阶跃折射率光纤的示意图

通过芯 – 包层界面处的全内反射，光在芯区域内被引导。根据核心区域的大小，允许一个或多个光路(模式)

传播，称为单模或多模光纤。通常情况下，裸光纤的外径为125μm，单模光纤的纤芯直径为9μm，多模光纤的纤芯直径为50μm 或62.5μm。应用不同的保护涂层以保护光纤免受可能的机械损坏。

基于FABRY-PEROT腔的点传感器考虑

所示的光学压力传感器 示意图。

基于法布里 – 珀罗腔的压力传感器示意图

基本上，它由一对由空气隔开的平行镜组成差距Ls。这种布置被称为法布里 – 珀罗(FP)腔或传感干涉仪。

通过在光纤的末端沉积介电层来形成半反射镜1 。镜子2由安装在前面的隔膜形成光纤。将隔膜暴露于待测量的压力p会改变间隙Ls。因此，通过测量Ls，可以确定施加的压力p。通过适当地选择隔膜的厚度和直径可以适应不同的压力范围，以保持相似值的最大偏转并保持压力和偏转之间的线性关系。

用于光学测量间隙Ls的优选光源是所谓的白光或宽带光源。它同时发出各种颜色的光(相当于宽波长带)。由此产生的光

看起来没有特定的颜色，即它看起来是白色的。在相反的激光，所述光作为大批产生的短脉冲。这些脉冲以随机方式发射，它们之间没有固定的相位关系。结果，它们不相互作用或相互干扰，并且对于下面的内容，仅考虑单个脉冲就足够了。接下来，考虑如果FP腔被白光源照射会发生什么。在光纤中朝向FP腔引导的入射光在第一反射镜处被部分反射。剩余的光被透射并随后被第二反射镜反射。因此，原始光脉冲被分成两个返回脉冲，第二脉冲相对于第一脉冲延迟t = 2Ls / c，c表示光速。 如果从相同的两个脉冲产生干扰(并且因此，包含关于Ls的信息的信号)，则仅发生干扰原始脉冲可以再次重叠。这是通过采用第二(或读出)干涉仪来实现的。

白光传感器系统示意图

例如，干涉仪由两个非平行的镜子组成，以透射方式工作。可以看出，气隙Lr(x)取决于沿镜子的位置x，并且在位置x0处产生最大干涉信号，其中Lr(x0)与传感干涉仪的间隙Ls精确匹配。该位置x0很容易由安装在镜子后面的CCD阵列确定。

在实践中，用双折射楔形布置替换构成读出干涉仪的两个非平行镜是有益的，其细节可以在可下载的信息中找到- 点击这里。采用相同的基本原理，可以构建用于测量不同量的全系列传感器。例子包括温度，位移，应变，力和折射率，如下所示。基于偏振 干涉仪的位置传感器示意图基于法布里 – 珀罗 干涉仪的应变/力传感器 示意图基于偏振 干涉仪的温度传感器示意图6.集成传感器

变形传感器的一个例子是变形传感器，其示意图如图4

所示。图4 – 集成应变传感器示意图

它基于与点光传感器部分所述相同的白光干涉测量基本原理以上。来自白光源的光通过光纤传输到光学传感器。这里的传感器由一个光纤耦合器组成，该光纤耦合器分成两根不同长度的光纤，每端都有一个微型镜子。参考该配置作为Mach-Zehnder或传感干涉仪。入射光脉冲由耦合器分成两个脉冲，并且在返回时，两个脉冲在时间上分开t = 2nLs / c，其中n表示玻璃纤维的折射率，Ls 表示纤维的长度差异和c光速。一根光纤连接到被测结构上，而另一根光纤非常接近但没有连接。结构的变形导致路径差2nLs 的变化。在这种情况下，它通过使用扫描移动设备来测量

第二(接收)干涉仪中的镜子安装在读取单元中。如前所述，如果感测干涉仪2nLs 的路径差与接收干涉仪2Lr 的路径差完全匹配，则仅发生最大干扰信号。传感器与温度无关，因为任何温度变化都会对两根光纤产生相同的影响，从而使路径差异保持不变。该在该纤维安装在锚固点之间的距离的结构被称为碱基长度。它可以设置在10厘米到10米之间，导致基本长度上的平均应变被测量。

7.准分布式或多路复用传感器最常见的准分布式光学传感器之一基于光纤布拉格光栅(FBG)。通过 在折射率上引入间距L 的周期性调制，沿光纤的短截面形成FBG。在每个周期，一小部分光被反射回来，导致在称为布拉格波长的特定波长处的强反射。布拉格波长l B由l B = 2n L给出，其中n为纤维的折射率。只有在这个波长下，所有分数才会相位相加，从而产生强烈的反射信号。

图5-采用光纤布拉格

光栅的多路传感器示意图。当FBG受到应变或暴露于热时，光栅间距 L和折射率n都受到影响，布拉格波长也相应地

移动。这提供了应变和温度的量度。由于两种效应同时发生，因此需要采取其他措施来区分它们。对于例如，测量当应变的第二FBG没有连接到被测结构可以部署在第一个FBG旁边，以提供温度补偿。FBG的巨大好处是可以沿 光纤部署多个FBG，每个FBG具有 不同的布拉格波长l 1，l 2，… l N.这在单根电缆内提供N个测量点。可调谐激光源用于照射传感器阵列。在扫描期间，每次激光波长相匹配的布拉格波长中的一个升我强烈背反射信号被记录提供关于温度和信息在位置i的应变。

8.分布式传感器

在分布式传感器中，在单个光缆的任何点处以一定的空间分辨率测量感兴趣的参数。用于实现分布式传感器的基本基础物理过程由各种散射过程提供。当激光沿光纤传播时，少量光沿光纤在每个位置连续散射回来。三种基本的散射过程在二氧化硅纤维中很重要：

由于随机反射引起的瑞利散射在制造纤维期间冷冻的折射率的不均匀性。由于与分子振动和玻璃中的旋转相互作用而产生的拉曼散射。

布里渊散射是由于与光纤中的声波(声学声子)产生的不均匀性相互作用。当分析波长域中的反向散射光时，

发现瑞利散射分量与入射光具有相同的波长l 0。有两个拉曼分量偏移相同的量(斯托克斯分量)和低于l0(反斯托克斯组件)。类似地，布里渊背向散射由两个在低于和高于l 0的

位移组成。图6 – 光纤中 的散射过程使这些散射过程对 光学传感感兴趣的事实是反向散射光的特性 取决于应变和/或温度在纤维中。如所指示的 在图6的拉曼反斯托克斯分量的强度 随温度T而增加斯托克斯 分量可以被视为温度无关。因此， 通过取他们之间的比例，一个人排除其他人(共同的对于Stokes和Anti-Stokes组件，可以明确地确定诸如光纤弯曲损耗和温度之类的强度变化的可能原因。在布里渊散射的情况下，散射分量相对于瑞利波长的波长偏移随温度T和应变e而变化。因此，通过从反向散射光中提取该波长偏移，可以实现用于应变和温度的传感器。采取额外措施来分离应变和温度依赖性，如安装参考电缆没有严格地绑在结构上，因此只能测量温度。提取空间分布的最常用方法是使用脉冲光并记录背向散射光特性与时间(光时域反射仪或OTDR)。以这种方式，可以在空间中提取温度和/或应变分布。

图7 – 分布式布里渊传感器的示意图