系统结构

干涉型光纤传感器的原理是: 根据光弹效应， 当外界振动信号作用在光纤上时， 光纤长度和折射率等发生使传输光的光程发生变化， 从而导致光相位变化。通过构造光路使两路相干光干涉， 从干涉光强中就能得到光相位变化的信息，光相位变化即对应了外界振动信号的变化。干涉型光纤传感器主要应用的是迈克尔逊( Michelson) 干涉仪、 马赫—曾德尔( Mach-Zenhder) 干涉仪、 Sagnac 干涉仪以及各干涉仪之间混合组成的干涉系统 。

SLD 为超辐射二极管提供 1 310 nm 的激光，DC1 为环形器，从光输入端 1 输入的光从 2 输出， 从 2 中输入的光从 3 中输出。DC2 是均分 3 × 3 光纤耦合器， 输入端5 为光源输入端， 输入端 6 为干涉光探测端， 输入端 4 和输出端 7 之间用数公里的延时线圈相连， 在输出端 8 和法拉第旋转镜( 10 位置处) 之间为振动信号检测光纤， 这段光纤布设在电机需要监测振动状况的部位， 电机的振动作用于这段光纤上，对光纤中传输的激光进行相位调制。从输出端 6 输出的干涉信号由 PIN2 接收，在该处干涉的两路相干光所 走 的 路 径 分 别 为: Path1， 1—2—5—8—9—10—9—8—4—7—6;Path2， 1—2—5—7—4—8—9—10—9—8—6。从输出端 5 输出的干涉光从 2 处输入环形器， 并从 3 处输出， 被 PIN1 接收， 输出端 5处干涉的两路相干光所走的路径分别为: Path3，1—2—5—8—9—10—9—8—4—7—5; Path4， 1—2—5—7—4—8—9—10—9—8—5 。

假设在传感臂上施加的电机振动信号为余弦调制， 则PIN1 和 PIN2 接收到的干涉光强可以分别表示为

I1 ( t) = A B cos( s cos ωst 0 ) ， ( 1) I2( t) = A B cos( scos ωst) ， ( 2)

式中 A 与 B 为正比于输入的光强，ωs 和 s 分别为光纤感受到的电机振动信号的角频率及其产生的两路相干光相位差的幅值，0 为无外界振动时， 两束相干光到达 6 位置时的固定相位差，对于图 1 所示系统中使用的均分 3 × 3 耦合器，0 = 23 π。通过光强 I1 ( t) 和 I2 ( t) 可以解调出与电机振动信号呈正比的信号 φs( t) [ 8] ，用于进一步的频谱分析 。

电机状态监测原理

电机在正常运行的状态下， 产生的振动信号具有一定的稳定性，因此，在频域上也表现出一定的稳定性。当电机由于老化、 磨损、 有异物、 松动等原因使得其运行不稳定时，它所产生的振动与稳定状态下相比有明显的区别。对电机故障诊断使用的传统方法是用频谱仪对信号的频谱进行分析。在正常状态下，振动信号的频谱大致由基频 f0 及其各次谐波 1f0 ，2f0 ，3f0…构成。基频 f0 的大小与电机的运转速度 v 有关，当转速 v 增大时，f0 也相应增大， 同时 f0 的各次谐波的位置也会相应的变化。基频 f0 及其各次谐波的幅度值不同，一般而言基频对应的幅值最大。当由于电机的故障导致电机转速降低、 振动加强时，信号的频谱上对应的会出现基频和各次倍频的移动及其幅值的改变 。传统的频谱分析主要借助的方法是离散傅里叶变换， 离散傅里叶变换的公式如式( 3) 所示

S( ω) = ∑N－1n = 0X( n) e － jnω ． ( 3)

其中，ω 为信号角频率，S( ω) 为信号的频谱，X( n) 为信号的离散采样值 。

为实现对电机运行状况是否良好的判断， 必须对电机正常运行时所辐射出的噪声进行频谱分析， 提取正常运行时的频谱特征， 如基频和各次倍频的位置和幅值。将每秒采集振动信号频谱中的特征与正常运行时的特征比较， 运行时的值与正常值之差大于阈值时， 则认为电机处于不正常状态 。

首先，将一段细光纤（TF，其包层直径为 80μm）与一段多模光纤（MMF）熔接，然后在两侧分别熔接两段单模光纤（SMF）。 在熔接过程中，光纤都在熔接机自动模式下进行熔接。 虽然方法简单，但熔接损耗增加会降低耦合率，从而影响条纹可见度、干扰频谱并增加传输损耗，因此，需要进行精细的切割和严格按照熔接程序操作。 在 TF 中需要掺入足量的锗，使 TF 具有1.4735 的折射率（n），传输波长 1550nm 时，其模 式场直 径 约 为 4.5μm。 SMF 的 纤 芯/包 层 直 径 为 9.2μm/125μm，阶跃 MMF 纤芯/包层为 50μm/125μm。 光信号由 SMF 引入 MMF，在 MMF-TF 熔接点模场失配，部分功率耦合到 TF 包层内,将在 TF 包层内激发多个模式。同样，在 TF-SMF 熔接点，随着TF 纤芯模式干扰的增强，TF 包层部分功率耦合到单模光纤纤芯的基模中。当包层直径减小后，TF 倏逝波传输功率的在包层中比例将会增强，因此从 TF 的包层进行光传播，将会更有效地引发纤芯模式。此外，基模的倏逝波和周围环境间的相互影响会导致透射谱中心的漂移，包层的有效折射率将随着周围环境因素的变化而改变。 由于干扰主要是由两种模式形成，即占主导地位的低阶包层模式和纤芯模式， 其结构可被视为一个 MZI 。 与Δneff 或该传感器长度 L 相关联的环境变化将导致干扰衰减波峰的偏移，两个干扰极小值（FSR）之间的波长间隔可以近似表示为：

Δλm=4neffL (2m 1)(2m-1)≈λ2m ΔneffL （1）

值得注意的是， 该传感器的 FSR 将随着 TF 长度L 的 增 加 而 减 少 。为 了 测 量SMTS 结构传感器 纤 芯 模 式 的变化，需要通过实 验 来 比 较 采用单模-细纤芯-单模（STS）和 SMTS 光纤结构这两种情况下的不同。当 TF 长度保持48.38mm 时，SMTS 的 干 涉 条 纹 比 STS 的 可 见 度 提 高数倍，MMF 的模场直径远远大于 SMF 的模场直径，因此，注入到 TF 的包层的光功率显著增强。 此外，由于使用了 MMF，TF 的包层模式可能被激活；STS 结构的纤芯模式 LP01 和 LP11， 由于 SMTS 和细光纤间的模场失配而激活 。

为了分析干扰模式的数量和功率分布波长光谱通过傅里叶变换后得到的空间频率谱，在零点占主导地位的峰值强度与纤芯模式相关。 随着 MMF 长度变化，功率主要分布在纤芯和低阶包层，这意味着不同 长 度 的 模 式 耦 合主 要 发 生 在 纤 芯 和低阶包层之间。多个次强峰对 应 于 高 阶 包 层 模式，纤芯模式和高阶包 层 模 式 间 的 干 扰同 时 改 变 了 干 扰 包络，当传感器放在折射率匹配液中来消除去包层模式时，干涉现象基本消失不同于纤芯模式 LP11 的包层模式能够被激发出来 。

光纤传感器网的三种基本构成。

光纤传感器网有三种基本构成，其中一个叫单点式传感器。一根光纤在这里仅仅起到传输的作用，另外一种叫多点式传感器，在这里一根光纤把很多传感器串起来，这样很多传感器可以共用光源实现网络性监测。再有就是智能光纤传感器。

多点式光纤传感器，从外表看就是一节光栅，通过紫外线照射发现有周期性的间隔。当有光纤入射的时候，如果光纤的波长正好等于间隔的两倍，那么这个光波将会受到强烈的反射，而如果光纤受到温度变化或者应变等等，这个反射波长将会发生变化，这种传感器在一根光纤上可以做很多个，把它连接起来就可以用于各种各样的传感应用。

因为光纤是软的，它可以两维、三维，所以横轴是空间的位置，纵轴是测量对象。这样一个传感网解决了什么问题呢"sup--normal" data-sup="2" data-ctrmap=":2,"> [2]

光纤传感器已经成功应用于飞机结构监测。我们看到A-380和波音787，它们的特点是超过一半数量是碳纤维，比如说碳纤维符合树脂有几种缺失，一个是层与层之间的剥离，由于这种材料比较强，所以很难像铝合金材料那样实行碳酸检测，所以研究人员现在开始研究把光纤传感器埋到复合材料当中去，由于这种材料一层大概125微米的厚度，所以这种光纤传感器必须是特别细小的光纤传感器，大概直径在50个微米左右。

我们说光纤传感器网可以成为安全安心社会的神经网。光纤传感器网可以用于光纤通讯网的诊断技术。光纤传感器网在安防方面已经有很多的应用，国内有很多企业在这方面开展了卓有成效的工作。

光纤传感器土木工程领域

随着光纤传感器技术的发展，在土木工程领域光纤传感器得到了广泛的应用，用来测量混凝土结构变形及内部应力，检测大型结构、桥梁健康状况等，其中最主要的都是将光纤传感器作为一种新型的应变传感器使用。

光纤传感器可以黏贴在结构物表面用于测量，同时也可以通过预埋实现结构物内部物理量的测量。利用预先埋入的光纤传感器，可以对混凝土结构内部损伤过程中内部应变的测量，再根据荷载－应变关系曲线斜率，可确定结构内部损伤的形成和扩展方式。通过混凝土实验表明，光纤测试的载荷－应变曲线比应变片测试的线性度高。

光纤传感器检测技术

光纤传感器在航天（飞机及航天器各部位压力测量、温度测量、陀螺等）、航海（声纳等）、石油开采（液面高度、流量测量、二相流中空隙度的测量）、电力传输（高压输电网的电流测量、电压测量）、核工业（放射剂量测量、原子能发电站泄露剂量监测）、医疗（血液流速测量、血压及心音测量）、科学研究（地球自转）等众多领域都得到了广泛应用。

光纤传感器石油工业

在石油测井技术中，可以利用光纤传感器实现井下石油流量、温度、压力和含水率等物理量的测量。较成熟的应用是采用非本征光纤F—P腔传感器测量井下的压力和温度。非本征光纤F-P腔传感器利用光的多光束干涉原理，当被测的温度或者压力发生变化时干涉条纹改变，光纤F—P腔的腔长也随之发生变化，通过计算腔长的变化实现温度和压力的测量。

光纤传感器温度测量

光纤传感技术是伴随光通信的迅速发展而形成的新技术。在光通信系统中，光纤是光波信号长距离传输的媒质。当光波在光纤中传输时，表征光波的相位、频率、振幅、偏振态等特征参量，会因温度、压力、磁场、电场等外界因素的作用而发生变化，故可以将光纤用作传感器元件，探测导致光波信号变化的各种物理量的大小，这就是光纤传感器。利用外界因素引起光纤相位变化来探测物理量的装置，称为相位调制传感型光纤传感器，其他还有振幅调制传感型、偏振态调制型、传光型等各种光纤传感器。

光纤传感器杨氏模量

采用传感器测量仪代替光杠杆镜尺组组成新的杨氏模量测量系统，不仅操作简短，而且提高了测量结果的精确度和准确度。金属丝传统的拉伸法的基本原理是将金属丝受到砍码的作用力后的微小伸长形变量通过镜尺组的光路转换而将之放大若干倍数，从而得到微小伸长，再通过计算得到杨氏模量值。

而自从有了传感器，我们把光纤传感器测量新方法和上述方法对比，光纤传感器的测量在灵敏度、精确度及准确度上都有提高。红外光测距系统测量的基本原理为采用红外光光纤传感器直接测量微小位移，红外光光纤传感器对于3mm以内的微小距离测量的线性度是非常高的。系统由传感器测量仪与反射式光纤位移传感器组成．

反射式光纤位移传感器的工作原理是采用两束多模光纤，一端合并组成光纤探头，另一端分为两束，分别作为接收光纤和光源光纤。当光发射器发生的红外光，经光源光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤，传至光电转换元件将接收到的光信号转换为电信号。其输出的光强与反射体距光纤探头的距离之间存在一定的函数关系，所以可通过对光强的检测得到位移量。在杨氏模量仪的金属丝处的圆柱体上利用磁铁固定镀镍反射金属片，使其能随钢丝伸长而移动。在支架台上固定红外传感器，而后在传感器测量仪上通过改变位移将实验得到的电势差值，通过多次测试，既转动传感器测量仪自带的螟旋测微仪，也即改变探头与金属片的距离和位置，当出现实验记录的钢丝仲长所对应的电势差值时，记录此时的螺旋测微仪读数。测试表明采用红外光测距此方法操作简单。只需将探头和反射片安装好后就可以直接开始在托盘上加法码实际测量了，侧量的结果是明显优于传统测试。

一、灵敏度较高；

二、几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；

三、可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；

四、可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；

五、而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。

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，有一系列独特的优点。电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，非侵入性，高灵敏度，容易实现对被测信号的远距离监控，耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接。

传感器朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展，它能够在人达不到的地方（如高温区或者对人有害的地区，如核辐射区），起到人的耳目作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。