光纤传感器

什么是光纤传感技术

光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。光波不怕电磁干扰，易为各种光探测器件接收，可方便的进行光电或电光转换，易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配。

光纤传感器

以多模光导纤维来传输光信号，根据光接受强度不同进行测量，而对被测参数起检测作用的是其他敏感元件。这种传感器多用于工业检测液位、压力、形变、温度、流速、电流、磁场等。它的优点是性能稳定可靠，结构简单，造价低廉，缺点是灵敏度低。


图一：光纤液位传感器

光纤传感器特点

光纤传感器可以分为两大类: 一类是功能型（传感型）传感器; 另一类是非功能型（传光型）传感器。

1.功能型传感器：是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件, 被测量对光纤内传输的光进行调制, 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化, 再通过对被调制过的信号进行解调, 从而得出被测信号。光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。

2.非功能型传感器：是利用其它敏感元件感受被测量的变化, 光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。

光纤陀螺仪

为光纤陀螺仪的基本光学系统图BS1、BS2是两个半透镜，激光透过BS1在BS2被分为两路,各自通过聚光镜分别沿着单模光导纤维环向左右两个方向进行。当两路光重新抵达BS2之后，便被导入同轴光路并在F1上产生干涉,然后求出环面在惯性空间的转速。两路光在BS1也被导入同轴光路，在F2产生的干涉也被用于计算转速。光纤陀螺无可动部件，能精确测量该系统相对于惯性空间的旋转速度，是一种高性能的惯性导航陀螺仪。


图二：光纤陀螺仪原理图

光纤传感器的应用

应用光纤传感器可以制成井下分光计，分布式温度传感器及光纤压力传感器等适用于这种特殊作业要求的产品。

(1) 井下分光计：流体分析仪如图1所示，可用于了解初期开发过程中的原油组成成分。它由两个传感器合成：一个是吸收光谱分光纤，另一个是荧光和气体探测器。井下流体通过地层探针被引入出油管，光学传感器用于分析出油管内的流体。流体分析分光计则提供了原位井下流体分析，并对地层流体的评估加以改进。

(2) 分布式温度传感器：光纤分布式温度传感器是井下应用最为流行的光纤传感器。应用实例是监测注水蒸气重油开采系统。蒸汽被注入重油层用以降低油的黏度，使稠油能够开采出来。井下蒸汽温度可高达250℃ 以上。


图三：流体分析仪构造