光纤传感器根据特性可以分成哪些种类?
光纤传感器的优点是与传统的各类传感器相比,光纤传感器用光作为敏感信息的载体,用光纤作为传递敏感信息的媒质,具有光纤及光学测量的特点
光纤传感器根据不同的特性可以划分为以下几类主要类型:
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按调制原理/光波参数分类(最基础的分类方式):
- 强度调制型光纤传感器: 通过外界物理量(如压力、位移、温度、振动)改变光纤中传输光的强度来进行传感。原理包括微弯损耗、弯曲损耗、吸收/散射变化、反射系数变化等。结构相对简单、成本低、应用广泛。
- 相位调制型光纤传感器: 利用外界物理量(如压力、温度、应变)引起光纤长度或折射率的微小变化,导致其中传输的两束光波之间产生相位差进行高精度测量。通常需要干涉仪结构(如迈克尔逊、马赫-曾德尔、法布里-珀罗、萨格纳克光纤干涉仪)。精度最高、灵敏度极高。
- 波长调制型光纤传感器: 外界物理量(主要是温度、应变)引起传感元件的光谱特性(波长)发生移动。最典型的是光纤光栅传感器(特别是光纤布拉格光栅FBG和长周期光纤光栅LPFG)。抗光源波动能力强、便于复用(多点测量)。
- 偏振调制型光纤传感器: 利用外界物理量(如磁场、电场、压力、扭转、振动)改变光波在光纤中传输时的偏振态来感知变化。需要特殊保偏光纤或对偏振敏感。适用于磁场(法拉第效应)、电流、角速度(萨格纳克效应 - 也属相位调制)、振动等测量。
- 频率调制型光纤传感器: 利用外界作用改变光纤中传输光的频率。较少见,例如利用多普勒效应测量流体速度。
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按传感位置/光作用区域分类:
- 点式光纤传感器: 传感区域是一个离散的点,一次只能测量空间中的一个点。大多数强度调制、FBG传感器属于此类。
- 准分布式光纤传感器(复用型光纤传感器): 将多个离散的传感点(如多个FBG或多个干涉点)串联在一条光纤上,通过特定的复用技术(时分复用TDM、波分复用WDM、空分复用SDM等)实现对多个点的同时或顺序测量。FBG串和某些干涉仪网络属于此类。
- 分布式光纤传感器: 光纤本身既是传输介质也是连续的传感元件,能够连续测量光纤沿线每一点(或特定分辨率内)的物理量(主要是温度、应变、振动)。基于散射原理(如拉曼散射测温、布里渊散射测温和应变、相干瑞利散射测振动/声波)。适用于长距离(几公里到几十公里)监测,如管道泄漏、周界安防、大型结构健康监测。
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按光纤在传感器中的作用分类:
- 功能型光纤传感器(传感器光纤): 光纤本身直接感受被测量的变化并调制光信号。光纤不仅是光的传输通道,更是传感元件。大部分相位调制型(干涉仪)、分布式传感器、偏振调制型、波长调制型(光纤光栅)都属于此类。结构相对简单,灵敏度高。
- 非功能型光纤传感器(传光型光纤传感器): 光纤仅作为光的传输通道,将被测量的信息从传感头(位于光纤端部或中间段)传送到光电探测器。传感功能由其他物理元件实现。典型代表是强度调制型中利用反射、吸收等方式的传感器,比如位移传感器(测距)、液体折射率传感器(受抑全反射)、气体浓度传感器(光谱吸收)、医用内窥镜等。更容易设计,成本可能较低,但灵敏度不如功能型。
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按被测物理量/应用领域分类:
- 光纤温度传感器: 利用光纤或光栅材料的热光效应、热膨胀效应测量温度(分布式、FBG、干涉型等)。
- 光纤应变/应力/压力传感器: 测量材料变形、压力或应力(FBG、干涉型、分布式等)。
- 光纤位移/振动/加速度传感器: 测量位置变化、振动幅度、频率或加速度(强度调制型、干涉型、分布式声波传感DAS等)。
- 光纤陀螺仪: 利用萨格纳克效应测量旋转角速度(相位调制/偏振调制型)。
- 光纤电流传感器: 利用法拉第磁光效应测量电流(偏振调制型)。
- 光纤磁场传感器: 测量磁场强度(法拉第效应、磁致伸缩效应结合光纤光栅)。
- 光纤化学/生物传感器: 测量化学物质浓度、生物分子(基于折射率变化、特定波长吸收或荧光)。
- 光纤流量/速度传感器: 测量流体流速(基于多普勒效应等)。
总结来说:
最核心、最具技术特色的分类是按调制原理/光波参数(强度、相位、波长、偏振、频率),这反映了传感的物理基础。 其次重要的分类维度是按传感位置(点式、准分布式、分布式)和按光纤作用(功能型 vs 非功能型)。 按被测物理量或应用领域的分类则更多是从用户需求角度出发。
了解调制原理的分类是理解光纤传感器工作原理和技术特点的关键。
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