基恩士光纖傳感器應用領域介紹

　　基恩士光纖傳感器由光源、傳感單元、傳輸單元構成，以光纖為媒介，利用光纖外的外界因素使光纖中光波的光強、相位、偏振態(tài)、頻率等參數(shù)發(fā)生變化，從而對溫度、應變、振動、速度、電流、電壓、磁場等眾多物理量進行測量并傳輸數(shù)據(jù)。光纖既是傳感元件又是傳輸介質。光纖作為傳感元件，具有抗電磁干擾、抗腐蝕、體積小易嵌入等優(yōu)勢;光纖作為傳輸介質，傳輸損耗低，可以傳輸數(shù)百千米。因此光纖傳感器特別適合在基恩士光纖傳感器干擾及空間狹窄的惡劣環(huán)境下使用，也可與現(xiàn)有光通信技術結合，組成大型物聯(lián)網(wǎng)，擴展傳統(tǒng)傳感器應用范圍，在很多情況下完成傳統(tǒng)電傳感器難以甚至不能完成的任務。

　　纖芯與包層是光纖的主體，對光波的傳播起著決定性作用。纖芯多為石英玻璃，直徑一般為5?75μm,材料主體為二氧化硅，其中摻雜其他微量元素，以提高纖芯的折射率。包層直徑很小，一般為100?200μm,其材料主體也為二氧化硅，但折射率略低于纖芯。涂覆層的材料一般為硅酮或丙烯酸鹽，主要用于隔離雜光。護套的材料一般為尼龍或其他有機材料，用于提高光纖的機械強度，保護光纖。一般，沒有涂覆層和護套的光纖，則稱為裸纖。

　　光纖的種類很多，從不同的角度出發(fā)，有不同的分類。一般，有以下四種分類。

　　(1)按光纖材料可分七種：石英系光纖、多組分玻璃光纖、氟化物光纖、塑料光纖、液芯光纖、晶體光纖、紅外材料光纖。

　　(2)按光纖橫截面上折射率的分布可分二類：階躍型(突變型)光纖、梯度型(自聚焦或漸變型)光纖。

　　階躍光纖及其纖芯折射率徑向分布如圖5-2(a)所示，在纖芯和包層兩種介質內部，折射率均勻分布，即加、均為常數(shù)，因此在纖芯與包層的分界處折射率產(chǎn)生階躍變化。梯度光纖的纖芯折射率沿徑向呈非線性規(guī)律遞減，故亦稱漸變折射率光纖。圖5-2(b)為一種常見的梯度光纖及其折射率徑向分布。

　　(3)按傳輸模式多少可分二類：單模光纖與多模光纖，其示意圖如圖5-3所示。光纖中傳播的模式就是光纖中存在的電磁場場形或者光場場形(HE)。其各種場形，都是光波導中經(jīng)過多次的反射和干涉的結果，而各種模式是離散的。由于駐波才能在光纖中穩(wěn)定的存在，它的存在反映在光纖橫截面上就是各種形狀的光場，即各種光斑。如果是一個光斑，我們稱這種光纖為單模光纖(SingleMode),它只傳輸主模，也就是說光線只沿光纖的內芯進行傳輸。由于單模光纖避免了模式色散，從而使得它的傳輸頻帶很寬，因而適用于大容量、長距離的光纖通信。一般，單模光纖使用的光波長為1310nm或1550nm0圖5-3所示的單模光纖光線軌跡圖。

　　基恩士光纖傳感器若為兩個以上光斑，我們稱它為多模光纖(MultiMode),即它有多個模式在光纖中傳輸。由于色散或像差的關系，這種光纖的傳輸性能較差，頻帶比較窄，傳輸容量也比較小，所以傳輸距離比較短。如圖5-3所示的多模光纖光線軌跡圖。

　　(4)按光纖工作波長可分三種：0.8?0.9呻的短波長光纖、1-1.7gm的長波長光纖、2gm以上的超長波長光纖。

　　由于光纖的材料與制造工藝的不同，使光在光纖中傳輸時會有一定的衰減，其衰減量一般用dB/km表示。而不同波長的光，在光纖中傳播時造成的衰減是不一樣的。光波長與傳輸損耗的關系如圖5-4所示，由圖可知，在以納米(nm)表示波長的一些特定點上，其光的衰減最小。因此,光纖通信中常用的光波長，一般選用使光衰減量最小的850nm、1300nm及1550nm等波長。

　　2.光纖的傳光原理

　　對于階躍光纖，由于纖芯與包層的折射率均為常數(shù)，因此光在光纖內的傳播途徑為折線，如圖5-5所示。

　　圖5-5光在光纖內的傳播

　　假設纖芯的折射率為n1,包層的折射率為n2,由折射定律可知，在纖芯與包層分界處，入射角θ1與折射角θ2存在如下關系

　　由于纖芯折射率大于包層折射率，即n1＞n2,因此折射角大于入射角，即θ2＞θ1.隨著入射角θ1的增大，折射θ2隨之增大。當折射角θ2=90°時，折射消失，入射光線全部被反射，從而發(fā)生全反射。根據(jù)折射定律，滿足全反射條件的最小入射角θc為

　　當入射角θ1＞θc時，光線不再進入包層，而是在光纖內不斷反射并向前傳播，直至從光纖的另一端射出，這就是光纖的傳光原理。

　　由圖6-5可知，光線從外界介質(如空氣的折射率為n0)射入纖芯后，能夠實現(xiàn)全反射的最大入射角θ0應滿足

　　式中，nosinθo稱為數(shù)值孔徑，用NA表示：與之對應的最大入射角θo，則稱為張角。

　　數(shù)值孔徑NA是衡量光纖集光性能的主要參數(shù)。其表征的含義在于，無論光源發(fā)射的功率多大，只有入射角處于張角θo內的光線才能被光纖接收，并在光纖內部連續(xù)發(fā)生全反射，最終傳播到光纖另一端。數(shù)值孔徑NA越大，表示光纖的集光能力越強。

　　基恩士光纖傳感器分類

　　1)根據(jù)輸出光信號解調參量的形式，光纖傳感器分為：相位或強度傳感器。

　　2)根據(jù)工作方式的不同，光纖傳感器可分為分立式和分布式。其中分立式光纖傳感器又包括光纖光柵傳感器、光纖陀螺儀、光纖水聽器等。

　　3)根據(jù)傳感原理，光纖傳感器可以分為傳感型和傳光型。

　　3、光纖傳感器應用領域

　　光纖傳感器可應用于監(jiān)控等領域。

　　1)基恩士光纖傳感器的結構監(jiān)測是光纖傳感器應用的領域。力學參量的測量對于房屋、鐵路、道路、橋梁、礦井、隧道、堤壩、機場、電站等工程建筑物的維護和是否正常工作的監(jiān)測是非常重要的。通過測量上述結構的應力應變分布，可預知結構局部的載荷。光纖傳感器可貼在結構表面或埋入結構內部，對其同時進行健康監(jiān)測、沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等，以監(jiān)視結構的缺陷情況。