三、光纤传感器

能够传输光线的纤维叫光导纤维（光纤）。光纤技术的发展可以追溯到1977年，到现在已经日趋成熟。光纤传感器优势明显，具有以下优点：

1.它的灵敏度高，不需要调节光路，几何形状具有多方面的适应性，可制成任意形状。

2.体积小重量轻，可以用于高温和高辐射的危险场合。

3.可以方便地实现远距离的测量和控制。

光纤传感器用途广泛：可用于压力、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、浓度等各种物理量的测量，具有十分广泛的应用潜力和发展前景。

（一）光纤的结构

理想的光纤由纤芯、包层、涂覆层和护套四部分构成，纤芯和包层是双层同心圆柱结构，用比头发丝还细的石英玻璃制成，纤芯的折射率n1＞包层的折射率n2，只要进入纤芯的光角度合适，就能使光在纤芯和包层界面发生全反射，光的全反射是光纤传光原理的基础。

光纤的结构图

（二）光纤传感器的组成

光纤传感器由光源、敏感元件（也叫调制器：光纤或非光纤）、探测器、信号调理电路及光纤组成。

（三）光纤传感器的工作原理

光源发出的光经输入光纤传至光调制器中，调制器对光的某一性质进行调制，被调制的光经过输出光纤耦合进入探测器，将光信号转化为电信号，最后信号处理电路对电信号进行解调。

（四）光纤传感器的类型

按照光纤在光纤传感器中的作用分为：功能型光纤传感器和非功能型光纤传感器。

功能型光纤传感器就是光纤同时具备传输光和敏感元件的作用，光纤具备了某项功能。采用特殊光纤，成本高。典型应用有光纤陀螺、光纤水听器等。

非功能型光纤传感器是光纤只具备传输光的作用，而不具备其它功能。无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。目前实用化的光纤传感器大都是非功能型的光纤传感器。

光纤传感器也可按被测的参量来分类。光是电磁波，电磁波是一种横波。光中的电矢量E与磁矢量H相互垂直，它们分别又与电磁波的传播方向垂直。

由于起生理感光作用的是电矢量E，故把电矢量E称为光矢量。在单色光波中的函数为：

其中E0为电场的振幅矢量，ω为电场的振动频率，φ 为电场的的振动相位。

当被测物理量变化时，会引起上述参数变化，按照光波调制参数分类的光纤传感器为：强度调制型、偏振调制型、频率调制型、相位调制型。

强度调制型光纤传感器：利用被测对象的变化导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。主要用于压力、振动、位移、气体的测量。

偏振调制型光纤传感器：利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息。例如光纤电流传感器是以法拉第磁光效应为基础，以光纤为介质的电力计量装置，它通过测量光波在通过磁光材料时其偏振面由于电流产生的磁场的作用而发生旋转的角度来确定被测电流的大小。

频率调制型光纤传感器：利用被测对象引起光频率的变化来进行监测。例如基于多普勒效应的频率调制原理可以用来测量血液流速。

相位调制型光纤传感器：被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。例如M—Z相位调制型光纤传感器，利用激光器发出的光，被分光棱镜分成两部分，这两部分光的频率、相位及偏振态是一致的。一部分经过光纤传输作为参考光。另一部分经过光相位调制系统，由于温度、压力可直接影响传感调制臂长度的变化，从而与参考光相比引起附加相位（附加光程差）。由于附加相位，引起两束光干涉条纹移动。从而相位调制型光纤传感器可以直接应用于温度、压力的测量。

四、光栅传感器

（一）什么是光栅

在玻璃尺（或金属尺）上进行长刻线的密集刻划，得到间隔很小的黑白相间的条纹，没有刻划的地方透光（或反光），刻线的发黑处不透光（或不反光），这就是光栅，其中刻线称为栅线。

a为栅线的宽度，b为缝隙的宽度，W为光栅的栅距（光栅常数）。通常a=b=W/2。

（二）光栅是如何工作的呢

用两组栅距相等的光栅，上面的短光栅比下面的长光栅倾斜了一个微小的角度，短光栅也叫指示光栅，长光栅叫主光栅。当两组光栅叠加在一起，当有光通过时，在垂直于栅线的方向就会出现了明暗相间的条纹，这些亮带和暗带被称为莫尔条纹。当两组光栅左右相对运动时，摩尔条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上。光栅式传感器就是利用摩尔条纹来进行测量的。

从直观上我们就可以知道摩尔条纹的宽度B与光栅常数W与光栅夹角φ有关，具体公式为：

B=W/φ。

（三）摩尔条纹有以下技术特点：

1.放大作用：莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角而改变。角度越小，摩尔条纹的宽度就越大，相当于把微小的栅距W扩大了1/φ倍。由此可见，光栅式传感器起到了光学放大器的作用，所以更容易测量。

2.平均效应：摩尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻线误差有平均作用，这在很大程度上消除了光栅刻线不均匀引起的局部误差和周期误差。

3.判向作用：莫尔条纹的移动量、移动方向与光栅的移动量、移动方向具有对应关系。当指示光栅相对于固定不动的主光栅左右移动时，莫尔条纹是沿着近于栅线的方向上下移动（两者的运动方向近似垂直）。

4.可利用倍频技术：莫尔条纹的光强近似正弦变化，因此便于将信号进一步细分，即采用“倍频技术”。将计数单位变成比一个周期W更小的单位，可以提高测量精度。

（四）光栅传感器

光栅传感器就是根据莫尔条纹原理制成的一种计量装置。用于位移测量及位移相关物理量的测量，如：速度、加速度、振动、表面轮廓等。测量原理如下图：

光栅传感器的测量原理图

按光栅的形状和用途分为：长光栅和圆光栅，分别用于线位移和角位移的测量。

按光线的走向分为：透射式光栅和反射式光栅。

光栅传感器由光源、透镜、主光栅和指示光栅、光电元件组成。如下图：

光栅传感器具有精度高、量程大、响应快的特点，在数控加工机床和三坐标测量机上用于各个轴向上位移的测量。

五、光纤光栅传感器

光纤光栅传感器则是在光纤上用紫外光刻写光栅，10毫米的光纤光栅包含了10,000个在纤芯中规则分布的微小反射镜面。如下图：

当光信号通过光纤光栅时，会发生反射和透射，反射和透射的光信号会形成一系列的光谱峰，每个光谱峰对应着一个特定的波长。温度、应变等物理量的变化会导致的栅距呈线性变化，从而光栅反射波长随栅距变化而线性变化，这种变化可以通过光谱分析来检测，从而使得光纤光栅传感器实现对温度、应变等物理量的直接测量。具体来说，当外界有应力或温度变化作用于光纤光栅时，光纤光栅会被拉伸，引起光谱峰的移动和形状的变化，这种变化可以用来测量变化的大小。

由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感，即温度与应变同时引起光纤光栅耦合波长移动，使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分。因此，解决交叉敏感问题，实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提。通过一定的技术来测定应力和温度变化来实现对温度和应力区分测量。这些技术的基本原理都是利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器，通过确定2个光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数，利用2个二元一次方程解出温度与应变。区分测量技术大体可分为两类，即多光纤光栅测量和单光纤光栅测量。光纤光栅传感器经过不断改进，除应力、应变和温度外，还可以进行更多物理量的监测，这里不再详细介绍。

总之，光电式传感器发展迅猛，本文只是粗浅的学习和认识，可能也存在理解错误的地方，希望大家批评指正。