光纤传感器基础

什么是光纤传感器？

光纤传感器是一种光波导，利用由树脂或石英玻璃制成的薄纤维光纤内部作为光学波导，并在制造现场进行各种传感。

光纤传感器的特点是其柔韧细长的电缆和小型传感器头，能够在狭小空间和小物体中进行检测，并且适合在各种环境中检测，因为它们不受电磁影响。 光纤涂层的材料使其能够在高温环境以及含有油品和化学品的场所使用。

光纤传感器的应用

光纤传感器的主要应用是物体检测。 它可以检测光线照射区域内物体的存在、光线的通过情况以及移动速度。

为了通过遮蔽和反射光线来检测光线，它不仅能检测金属，还能检测木材和树脂等常见固体的存在和颜色，以及透明玻璃，广泛应用于各种制造现场，从非接触式通用产品检测到极小产品检测和在狭小空间中的定位。

此外，它不仅能检测固体，还能检测液体、畸变和温度，并且一种能够测量电流值的电流传感器也已应用于实际应用。

光纤传感器的结构

光纤传感器由一个电缆形状的光纤单元组成，该单元在传输光的同时发光;一个具有光源和光学放大功能的光纤放大器部件，以及一个接收光的部件。

光纤单元中心的光纤由高折射率芯线（主要由石英玻璃或塑料构成）和覆盖其上的低折射率包层组成。

光纤放大器是一种结构，具有光学放大器和发射元件与接收元件之间的检测电路，而最重要的光学放大介质是一种掺杂稀土光纤，通过激发光的受激发射放大入射光来检测。 这些功能允许部分产品调整灵敏度并设置和更改阈值。

光纤传感器大致分为不同类型的光纤单元和光纤放大器，以及内置光纤放大器的类型，其检测方法包括透射、反射、反向反射和有限反射，且根据传感器头的各种形状，可实现广泛的检测。

光纤传感器原理

光纤传感器根据发射部分发出的光（波长、光强）以及接收端接收的光的信息进行各种检测。

1. 对常见物体的检测

它是最基本的检测原理，通过阻挡光线从发射部分到接收部分，来检测物体的存在与否。 它可以通过短时间拦截探测通道，还可以通过在发光部分提供光接收装置来测量反射时间和物体运动速度。

透明物体如玻璃难以被检测，因为光线穿透而难以被发现，但可以通过测量表面折射率变化引起的光强变化（空气⇔玻璃）来高精度检测到。

2. 液体检测

光纤传感器不仅能检测固体，还能利用液体折射光线的特性检测液体，管状安装和湿润型传感器已被应用于实际应用。

管状安装型通过管壁透光。 如果管内没有液体，光线会直线传播;如果有液体，则被折射，光线进入接收端。 这用来检测液体的有无。 这种类型可以检测透明液体，但不能检测不透光的不透明液体。

湿润式中，泛光灯和接收器平行安装在锥形树脂管中，管尖呈锥形，未润湿时，光线在锥体折射后返回接收端。 当光线受湿时，折射率会发生变化，光线不会返回。 这能检测湿润的液体。

通过这种方式，光纤传感器被用来检测液体、液体液位和漏水情况。 在液体检测中，树脂管通常由特氟龙基材料制成，可用于化学溶液和高温水，并广泛应用于各种场合。

3. 颜色检测

物体的颜色由反射光的波长分布决定，其反射率和折射率相对于照射光的波长（颜色）之间的变化。 这可以用来通过光纤传感器检测颜色。

4. 温度与失真检测

光纤在径向方向上具有芯材和包壳的双重结构，但在制造过程中，可以通过辐照特殊紫外线，在轴向方向上以规律间隔生成具有不同折射率的区域，这被称为纤维布拉格光栅（FBG）。 光纤的图像是一系列两端均有FBG的圆柱体。

由于FBG只根据产生的间隔和折射率反射特定波长，反射光的波长和反射光返回的时间会随着光纤因温度变化而膨胀和收缩而变化。 这使得它能够作为温度传感器使用。

此外，安装在结构中时，纤维长度会随着结构变形而变化，因此也可以用作应变传感器。 它应用于大型建筑、隧道、管道等，以及持续受到外部力量影响的结构，如海上风电发电，而海上风电是可再生能源之一。 当配重连接时，光纤长度会根据配重移动时施加的加速度而变化，因此也可以用作加速度计。

5. 电流值检测

法拉第效应用于利用光纤传感器检测电流值。 当电流通过导体时，根据右旋定律产生同心磁场。 法拉第效应是一种现象，指的是光线沿磁场通过时的偏振面会根据磁场强度旋转。 电流值通过测量该偏振平面的旋转角度来检测。