光纤传感原理与检测技术-晟辉智能制造

什么是光纤传感？

我们把它拆解开来理解：

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光纤 (Optical Fiber)：一种由玻璃或塑料制成的极细的纤维，能够像“光导管”一样,将光信号从一端高效地传输到另一端。
传感 (Sensing)：利用某种敏感元件或效应，感知外界物理、化学或生物量的变化,并将其转换为可测量的信号。
光纤传感：将两者结合，利用光纤（或光纤中的光）作为敏感元件和/或信号传输介质，来感知外界各种变化（如温度、压力、振动、应变、磁场等）的一门技术。

核心思想：外界待测物理量的变化，会引起光纤中传输光的一个或多个特性（如强度、相位、波长、频率、偏振态）发生改变，通过检测这些光特性的变化,就可以反演出外界物理量的信息。

光纤传感的原理多种多样，但都基于“光-物质相互作用”，根据传感机理的不同,主要可以分为以下几大类：

这是最简单、最直观的原理,外界物理量引起光纤中传输光强度的直接变化。

原理：待测物理量 → 光纤中光的损耗或透射率改变 → 探测器接收到的光强改变。
实现方式：
- 微弯损耗：当光纤因压力、振动等发生微小弯曲时，会导致光从纤芯泄漏到包层中，引起光损耗，压力越大，弯曲越厉害，损耗越大,出射光强越弱。
- 遮光式：一个遮光板或反射片的移动（由位移、振动引起）会部分或全部遮挡进入光纤的光,从而改变接收端的光强。
- 吸收式：将光纤的包层去除一部分，涂覆对特定化学物质敏感的材料，当该化学物质浓度变化时，会吸收特定波长的光,导致光强变化。
优点：结构简单、成本低、技术成熟。
缺点：受光源波动、连接器损耗等影响大,精度和稳定性相对较低。

这是目前灵敏度最高的一类光纤传感器,也是许多高性能传感器的基础。

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原理：待测物理量 → 光纤的物理长度（L）、折射率（n）或纤芯半径（a）发生微小变化 → 导致光在光纤中传播的相位（φ）发生变化，相位变化量 Δφ = (2π/λ) * Δ(nL),是光波长。
实现方式：
- 应变/压力传感：应变会使光纤被拉伸（ΔL > 0），同时产生“光弹效应”改变折射率（Δn > 0）,两者都导致相位延迟。
- 温度传感：温度变化会引起光纤的热膨胀（ΔL > 0）和热光效应（改变折射率Δn > 0）,导致相位变化。
挑战：光本身的相位无法被直接测量，必须采用干涉仪技术，将携带了相位信息的“信号光”与一个未被调制的“参考光”进行干涉,将相位变化转换为光强的变化来检测。
典型干涉仪：迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪、法布里-珀罗干涉仪。
优点：灵敏度极高，可达皮米（pm）甚至飞米（fm）量级。
缺点：系统复杂，对环境干扰（如振动、温度漂移）极其敏感,需要复杂的解调技术和信号处理。

这是目前应用最广泛、最可靠的技术之一,尤其是光纤光栅传感器。

原理：外界物理量（主要是应变和温度）引起光纤的布拉格波长（λB）发生移动，布拉格波长满足 λB = 2 neff Λ，neff 是纤芯的有效折射率，是光栅的周期。
实现方式：
- 光纤布拉格光栅：这是波长调制的核心，在光纤纤芯中写入周期性的折射率调制结构（光栅）。
  - 应变影响：拉伸光纤（应变），会使光栅周期Λ变大，导致λB向长波长方向移动（“红移”）。
  - 温度影响：温度升高，会使光纤热膨胀（Λ变大）且折射率neff变大，两者共同导致λB向长波长方向移动。
- 其他波长调制：利用材料对特定波长光的吸收峰或荧光峰随外界条件（如浓度、温度）移动的原理。
优点：
- 绝对测量：测量的是波长,不受光源功率波动和连接器损耗影响。
- 抗电磁干扰：波长是光的固有属性,不受电磁干扰。
- 可复用性强：可以在一根光纤上写入不同布拉格波长的光栅,构成准分布式传感网络。
缺点：成本相对较高，解调设备（光谱分析仪）较贵。

原理：基于光学多普勒效应，当运动的散射体（如振动表面）反射或散射光时，反射光的频率会发生偏移，频移量 Δf = (2v / λ) * cosθ，其中v是散射体速度，λ是光波长，θ是入射光与速度方向的夹角。
应用：主要用于测量速度、振动、流速等,典型的设备是激光多普勒测速仪。
优点：非常适合动态测量,如高频振动。

传感原理是“为什么能测”，而检测技术是“怎么测出来”，对于不同原理的传感器，需要不同的解调（检测）方案。

最简单，使用光电探测器直接接收光强信号，经过放大和A/D转换后读数，难点在于如何消除光源波动等干扰，常采用参考光路或比率测量来补偿。

这是最复杂的技术，核心是相位解调。

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零差解调：将信号光与一个频率完全相同的参考光干涉，得到一个包含相位信息的低频信号，优点是灵敏度高,但参考光本身的环境漂移会直接影响测量结果。
外差解调：将参考光的频率进行一个微小的频移（如通过声光调制器），使干涉信号携带一个固定的中频，这样可以克服光源频率漂移的影响,但系统更复杂。
常见解调方案：
- PZT相位跟踪法：利用压电陶瓷实时改变参考臂的光程，维持干涉条纹在中心,通过PZT的驱动电压反演相位变化。
- 3x3耦合器法：利用3x3耦合器产生120°相位差的干涉信号,通过算法解算出相位。
- 相位生成载波技术：通过调制参考光的相位，在频域上将信号与噪声分离,是目前应用最广泛的数字解调技术之一。

光谱分析仪：直接用光谱仪测量FBG的反射峰或透射峰的波长位置，精度高，但速度慢、价格昂贵,适合实验室使用。
解调仪/波长计：
- 可调谐滤波器法：使用一个可调谐的法布里-珀罗滤波器或光纤环形激光器，扫描整个波长范围，当滤波器中心波长与FBG反射峰重合时，探测器输出功率最大,通过记录滤波器的波长来得到FBG的波长。
- 匹配光栅法：使用一个可移动的参考FBG，当它与传感FBG的波长匹配时，反射光最强,通过测量参考光栅的位置来确定波长。
- 基于干涉仪的解调：如非平衡马赫-曾德尔干涉仪，可以将波长变化转换为相位变化，然后用相位解调技术来测量，这是目前商业化产品的主流技术，速度快、成本适中。

光纤传感技术凭借其**电绝缘、耐腐蚀、体积小、重量轻、带宽大、抗电磁