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文献综述报告-光纤传感器
文献综述报告
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文献综述报告
光纤传感器综述
姓 名：姬应科
学 院：理学院
专 业：光学工程
年 级：2015级
应用原理
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这是一种利用被测量的变化引起光纤中的光强发生变化的光纤传感器。能够引起光纤中光强发生变化的因素有: 改变光纤的微弯状态, 改变光纤对光波的吸收特性, 改变光纤包层的折射率。下面分别讨论利用以上三个因素制成的光强调制型光纤传感器的应用原理。
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（1）改变光纤的微弯状态
利用微弯效应制成的光纤位移传感器的原理如图2。它是利用多模光纤在受到弯曲时, 一部分纤芯模式能量会转化为包层模式能量这一原理，可通过测包层模式能量的变化来测量位移。例如: 利用这一原理制成的光纤报警器, 其基本原理是光纤呈弯曲状织于地毯中，当有人站在地毯上时,地毯弯曲状加剧,引起光纤光强变化，产生报警信号。研制这类传感器的关键在于确定变形器的最佳结构, 最佳结构一般通过实验确定。
图2 光纤位移传感器的原理图
（2）改变光纤对光波的吸收特性
X 射线和C射线会使光纤材料的吸收损耗增加，从而使光纤输出功率减小。利用这一原理可以制成光纤辐射传感器，用于核电站大范围的监测。与此类似的还有光纤紫外光传感器。紫外光照射会使光纤激发荧光, 由荧光强弱探测紫外光强。这一类传感器的关键是要制作特殊光纤。
（3）改变光纤包层的折射率
图3是一种全内反射光纤传感器原理图。它的光纤端面的角度被磨成恰好等于临界角。从纤芯输入的光将从端面全反射, 经反射镜再沿原路返回输出。当被测参量(折射率、浓度、温度等)发生变化时, 光纤端面包层的折射率也发生变化,全反射的条件被破坏, 因而输出光强下降。由此原理可制成光纤液体浓度传感器, 光纤折射率计等。
图3 全内反射光纤传感器原理图
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这类传感器的基本原理是利用被测参量对光学敏感元件的作用，使敏感元 件的折射率、传感常数或光强发生变化,从而使光的相位随被测参量而变, 然后 用干涉仪进行解调,即可得到被测参量的信息。用以上原理制成的光纤干涉仪可测量地震波、水压、温度、加速度、电流、磁场等, 并可检测液体、气体的成分。这类光纤传感器的灵敏度很高, 传感对象广泛,但是需要特种光纤。图4是 Michelson光纤干涉仪, 它利用一个光纤定向耦合器构成双光束干涉仪, 两光纤之一为参考臂, 另一为传感臂。被测参量的变化可直接引起干涉仪中传感臂光纤的长度和折射率发生变化, 从而引起光纤中光波相位的变化。若把磁致伸缩材料或压电材料固定在传感臂上, 则可利用它们对光纤引起的压力变化来测量弱磁场或弱电场。若在传感臂上镀上金属薄膜, 则可利用电流的热效应来测量电 流。
图4 Michelson光纤干涉仪
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被测参量可使光纤中光波的偏振态发生变化, 检测该种变化的光纤传感器称为偏振态调制型。 最典型的是测量大电流用的光纤电流传感器。 基本原理是利用光纤材料的法拉第效应, 即光纤处于磁场中, 磁场使光纤中光波的偏振面 旋转, 旋转角H与磁场强度H、磁场中光纤的长度L满足: H=KHL , K 为光纤材料系数。由长直载流导线在周围空间产生的磁场 H = I/2PR，R是光纤与载流导线间的垂直距离，则H=KLI/2PR 只要测出H，L，R即可求出导线中的电流。图 5为其原理图。这种测电流的方法测量范围大、灵敏度高、与高压线无接触，使输入输出端实现了电绝缘。但是目前实际测量还存在一些问题，主要是受外界温度、压力变化等影响,光纤本身会产生双折射效应,从而引起测量误差。
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图5 光纤电流传感器原理
五、光纤传感器的应用及存在问题[2]
光纤传感器广泛应用于工业生产、医疗卫生、国防工程等重要部门, 本文仅介绍光纤传感器的两种典型应用情况, 突出了光纤传感器的优点和急待解决的问题。

温度是科学技术和工业生产中的最基本、最重要的物理量，温度的测量和控制非常重要。常用的温度检测方法很多，如热敏电阻式、热电偶式等，它们都是基于温度变化引起其物理参数的变化原理实现温度的检测。若在微波能应用、电力机械设备等高温、强腐蚀、强电磁干扰等恶劣环境中实现温度检测，传统的温度检测方法不再适用,而光纤温度传感器解决了这一困难，且温度检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽，但在实际应用中，光纤温度传感器的输出信号会受到光源波动、光纤传输损耗变化、探测器老化等因