光纤传感器的工作原理及选型技巧

【导读】光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测的光信号的传感器。光纤传感器的工作原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制器，在调制器内与外界被测参数的相互作用， 使光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件、经解调器后获得被测参数。整个过程中，光束经由光纤导入，通过调制器后再射出，其中光纤的作用首先是传输光束，其次是起到光调制器的作用。

一、工作原理

光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，称为被调制的信号光，再利用被测量对光的传输特性施加的影响，完成测量。

光纤传感器的测量原理有两种：

（1）物性型光纤传感器原理，物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。

因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界参数(温度、压力、振动等)引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压等。

（2）结构型光纤传感器原理，结构型光纤传感器是由光检测元件(敏感元件)与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。

二、选型指标

关于光纤传感器的选型，主要根据测量对象和环境确定类型。仔细分析测量工作，并考虑使用哪种原理的传感器进行测量，因为即使测量相同的物理量，也可以通过不同的原理来实现。其次，必须考虑测量范围、体积(空间是否足够)、安装方法、信号类型(模拟或数字信号)、测量方法(直接或间接测量)等。

（1）光纤传感器的精确度

传感器的精度等级关系到整个系统的精度，是一个非常重要的参数。一般来说，精度越高，价格越贵。所以在选择的时候，要从整体上考虑，适合自己的才是最好的，不要盲目追求所谓的高精度，除非需要定量测量精度值，否则要选择精度等级更高的传感器。

（2）灵敏度的选择

灵敏度是指输出增量与相应输入增量之比。我们必须正确理解这个参数，分为两个方面:1。在线范围内，灵敏度高，输出信号值大，这是一个优点。2.灵敏度高，与测量无关的外部噪声容易混合，影响处理过程中的精度。

（3）线性范围

线性范围是指输出与输入成正比的范围，所以我们都希望线性范围越宽越好，线性范围越宽，范围越大，精度越高。但任何传感器的线性范围都是相对的。为了在线性范围内，我们只需对测量进行估算。

（4）频率响应特性

在测量过程中，传感器的输出总是有一定的延迟，这与实际值不同。因此，我们希望频率响应更快，这样延迟时间会更短。然而，由于结构和其他特性的影响，频率很难提高。

（5）稳定性

稳定性是指长期使用后，其性能可以保持不变。除了自身原因，影响稳定性的因素主要是环境因素。因此，所选传感器应具有较强的环境适应性，并在适当的时候采取保护措施。