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(lèi)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(lèi)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(lèi)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。

體積小：適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?chē)鷧^(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(chēng)為單模或多模光纖。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

所示的光學(xué)壓力傳感器 示意圖。

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(chēng)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。可以看出，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

變形傳感器的一個(gè)例子是變形傳感器，其示意圖如圖4

所示。圖4 – 集成應(yīng)變傳感器示意圖

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(chēng)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(chēng)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)。

圖5-采用光纖布拉格

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)?？烧{(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(lèi)似地，布里淵背向散射由兩個(gè)在低于和高于l 0的

位移組成。圖6 – 光纖中 的散射過(guò)程使這些散射過(guò)程對(duì) 光學(xué)傳感感興趣的事實(shí)是反向散射光的特性 取決于應(yīng)變和/或溫度在纖維中。如所指示的 在圖6的拉曼反斯托克斯分量的強(qiáng)度 隨溫度T而增加斯托克斯 分量可以被視為溫度無(wú)關(guān)。因此， 通過(guò)取他們之間的比例，一個(gè)人排除其他人(共同的對(duì)于Stokes和Anti-Stokes組件，可以明確地確定諸如光纖彎曲損耗和溫度之類(lèi)的強(qiáng)度變化的可能原因。在布里淵散射的情況下，散射分量相對(duì)于瑞利波長(zhǎng)的波長(zhǎng)偏移隨溫度T和應(yīng)變e而變化。因此，通過(guò)從反向散射光中提取該波長(zhǎng)偏移，可以實(shí)現(xiàn)用于應(yīng)變和溫度的傳感器。采取額外措施來(lái)分離應(yīng)變和溫度依賴(lài)性，如安裝參考電纜沒(méi)有嚴(yán)格地綁在結(jié)構(gòu)上，因此只能測(cè)量溫度。提取空間分布的最常用方法是使用脈沖光并記錄背向散射光特性與時(shí)間(光時(shí)域反射儀或OTDR)。以這種方式，可以在空間中提取溫度和/或應(yīng)變分布。

圖7 – 分布式布里淵傳感器的示意圖