光纖位移傳感器綜述*

蘇 珊，侯鈺龍，劉文怡，張會新，劉 佳

(1.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原030051;2.中北大學 電子測試技術重點實驗室，山西 太原030051)

0 引 言

位移傳感器又稱為線性傳感器，有電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、光電式位移傳感器以及超聲波式位移傳感器等多種類型，是運用最廣泛的傳感器之一［1］。其中，電容式位移傳感器一般量程都很小，小于1 mm，其精度特別高，一般用于厚度測量。但是需要事先對被測體的導電性進行標定再進行測量，響應頻率幾千赫到幾十千赫不等，量程一般是mm 級，精度一般是μm 級［2，3］。超聲波式傳感器屬于非接觸式測量傳感器，其精度高，但由于聲波脈沖間具有一定間隔，因此，它只能實現準實時的位移檢測，而不能實現實時的位移測量。電感式位移傳感器，按其結構和原理一般都是由固定線圈和可動鐵芯組成，當鐵芯在線圈內沿軸向運動時，通過線圈電感的變化達到檢測位移的目的。但這類傳感器對于大位移測量而言，普遍存在著測量范圍窄，結構較復雜，應用場合有限等問題［4，5］。光纖式位移傳感器是在光纖上制作一定結構來實現“傳”和“感”相結合的位移器件。與其他位移傳感器有以下幾個方面的不同:

1)從材料上講，光纖位移傳感器的基本制作材料是光纖。光纖的柔韌性好，抗電磁干擾以及抗腐蝕等特性，使之成為制作新型傳感器的重要材料之一，進而使得光纖位移傳感器具有更為廣泛的應用前景。

2)從原理上講，光纖制作位移傳感器件時，其本身既可作為傳光元件，又可作為感知器件，實現“傳”和“感”相結合。光纖位移傳感器是以光作為信息載體，其傳輸速度快，使得光纖位移傳感器的響應速度快。

3)從結構上講，光纖位移傳感器的結構大致分為三部分，即光源，光纖以及光探測器。其結構簡單，設計靈活、造價低廉、穩定性好。

由于光纖位移傳感器的優良特性，使之廣泛地用于醫療、交通、電力、機械、航空航天等各個領域。在未來，光纖位移傳感器是最具有發展潛力的傳感器之一。

1 光纖位移傳感器的分類

目前常用的光纖位移傳感器有本征型和非本征型兩類。本征型光纖位移傳感器是利用光纖本身作為“傳”和“感”的器件，而非本征型光纖位移傳感器只是利用光纖作為傳光媒介。

1.1 本征型光纖位移傳感器

1.1.1 微彎型光纖位移傳感器

微彎型光纖位移傳感器是利用沿著光纖軸向上的微彎效應制成的調制型傳感器［6］，其結構示意圖如圖1。由于微彎效應，多模光纖的部分纖芯模式耦合到包層模式中，通過檢測某些特定的模式(包層模或者纖芯模)的變化，可以檢測出光纖的微彎情況，從而檢測出變形器受到的位移量。微彎型光纖位移傳感器是利用沿著光纖軸線上的微彎效應制成，限制了可檢測的位移量，因此，其動態測試范圍小，而且其系統結構復雜，加工難度高，導致了其無法在日常生活中或者工業上大批量生產使用［7］。

圖1 微彎型光纖位移傳感器結構示意圖Fig 1 Structure diagram of micro-bend FODS

1.1.2 宏彎型光纖位移傳感器

宏彎型光纖位移傳感器的基本原理是機械運動可產生對宏彎損耗的調制作用。其結構與微彎型光纖位移傳感器近似，由一根光纖(可以是單纖芯光纖，也可以是雙纖芯光纖)形成的宏彎環(單環或者多環)組成的變形器，以及兩端分別連接的光源和探測器組成［8，9］，其結構示意圖如圖2。當變形器的夾板受到位移(或力等)，其宏彎環的半徑發生改變(形狀變化)，宏彎損耗發生變化。通過探測器對光纖中光功率變化來檢測位移、壓力等物理量。宏彎型光纖位移傳感器的結構簡單，加工難度低，但由于其結構的限制，也存在動態檢測范圍小的缺點。

1.2 非本征型光纖位移傳感器

1.2.1 反射型光纖位移傳感器

反射式光纖位移傳感器是基于對物體表面的反射光的調制而制成的傳感器，也叫雙光纖位移傳感器［10］。由二根光纖組成，其中一根光纖作為傳光光纖，另一根光纖作為接收光纖，二根光纖的半徑可以相同，也可不同。當傳光光纖的光射向被測物體，被測物體反射的光一部分被接收光纖接收。從物體表面反射的光強度受到其距離的影響，如圖3。當物體反射面與接收光纖之間的距離變化，其接收到的光強度也會發生改變。通過檢測接收光纖中的光強度，便可知物體位移的變化，這里主要是利用光纖傳輸光信號的功能。

圖2 宏彎型光纖位移傳感器結構示意圖Fig 2 Structure diagram of macro-bend FODS

圖3 反射型光纖位移傳感器結構示意圖Fig 3 Structure diagram of reflective FODS

這種光纖位移傳感器，存在一個主要的缺陷，即“光峰”現象［11］，且在測量過程中存在測量盲區，即反射鏡距離光纖過近，沒有光強度能夠入射到接收光纖內，從而限制了其測量范圍，而且只有一根光纖接收光，其接收率很小，降低了測量靈敏度［12］。為了更好地解決這個問題，有人采用雙通道甚至多通道的光纖位移傳感器，彌補了這個缺陷［13，14］。

1.2.2 透射式光纖位移傳感器

透射式光纖位移傳感器是采用二根同樣芯徑的光纖“串聯”而成，將二根光纖的平整端面相互靠近裝配到一起，間距2 ～3 μm［15］，其結構示意圖如圖4。一根光纖①連接光源為整個系統提供光能量，另外一個光纖②接收從光纖①中傳出的光，接收到的光能量與距離有關，根據此概念設計出了透射式光纖位移傳感器［16］。

圖4 透射式光纖位移傳感器示意圖Fig 4 Schematic diagram of transmission FODS

透射式光纖位移傳感器的精度高，結構簡單。但是其原理限制了測量范圍，而且二根光纖的同軸性要求高，加工難度增大，又由于接收到的光能量少，對探測器提出了很高的要求。

1.2.3 干涉型光纖位移傳感器

干涉型光纖位移傳感器有雙光束干涉儀和多光束干涉儀之分［17］，如圖5。其中，雙光束有邁克爾遜干涉儀和馬赫—曾德干涉儀，多光束干涉儀有法布里—珀羅干涉儀和薩尼亞克干涉儀(即環形腔)［18］。干涉型傳感器是基于干涉現象制成的檢測裝置，是利用物體的移動導致各個光路光之間光程差發生變化，干涉條紋也將發生明暗交替變化。當被測對象移動一定距離時，條紋亮暗交替變化一次，探測器輸出信號變化一個周期，根據記錄下的周期數計算出位移的量［19］。這種干涉儀的精度高，同時具有大的動態測試范圍和很強的抗噪聲的能力。

圖5 干涉型光纖位移傳感器示意圖Fig 5 Schematic diagram of interferometric FODS

2 光纖位移傳感技術的潛在應用

光纖位移傳感技術不僅在位移傳感方向具有很好的發展空間，還可以利用其技術原理檢測其他的物理量［20］。例如:表面粗糙度測量，液體折射率測量，液位檢測振動測試以及溫度等。其中，表面粗糙度可以采用反射式光纖位移傳感器結構，其反射的光能量受到反射面的粗糙度有關，其測量精度高，響應速度快［14］;另外，光纖位移傳感技術還可以用于液位折射率測量，有研究工作者利用宏彎型光纖位移傳感器結構設計了宏彎耦合結構液位探頭(TMBCS probe)，這種液位探頭的區分度高，靈敏度高，響應速度快［13］。比較其他傳感器，光纖傳感器在檢測壓力、溫度或者振動等物理量時，均表現出良好的性能。

3 結束語

光纖位移傳感器可以分為本征型和非本征型兩類，是以光纖在位移測量過程中扮演的角色來決定的。本征型光纖位移傳感器以光纖作為敏感介質，外界位移使得光纖結構發生變化，導致其內部模場的再分布，因此，通過分析模式分布引起的光能量改變便可檢測外界所產生的位移;相反，非本征型光纖位移傳感器以光纖作為傳輸介質，外界位移引起光傳輸效率的改變，同樣利用輸出光能量的改變來檢測外界產生的位移。無論是本征型光纖位移傳感器還是非本征型光纖位移傳感器，其位移檢測能力是很有潛力的。

總之，光纖位移傳感器與傳統位移傳感器相比，其制作過程簡單，設計靈活多變，具有很好的適應能力。但是，光纖位移傳感器仍然存在一些缺陷，例如:動態測量范圍小，線性度不高，抗污染能力較差等。另外，跨尺度位移測量一直是國際上未解決的難題，光纖位移傳感器也不例外，在這方面還有待進一步發展。

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