光纤位移传感器综述*

苏 珊，侯钰龙，刘文怡，张会新，刘 佳

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051;2.中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原030051)

0 引 言

位移传感器又称为线性传感器，有电感式位移传感器、电容式位移传感器、光电式位移传感器以及超声波式位移传感器等多种类型，是运用最广泛的传感器之一［1］。其中，电容式位移传感器一般量程都很小，小于1 mm，其精度特别高，一般用于厚度测量。但是需要事先对被测体的导电性进行标定再进行测量，响应频率几千赫到几十千赫不等，量程一般是mm 级，精度一般是μm 级［2，3］。超声波式传感器属于非接触式测量传感器，其精度高，但由于声波脉冲间具有一定间隔，因此，它只能实现准实时的位移检测，而不能实现实时的位移测量。电感式位移传感器，按其结构和原理一般都是由固定线圈和可动铁芯组成，当铁芯在线圈内沿轴向运动时，通过线圈电感的变化达到检测位移的目的。但这类传感器对于大位移测量而言，普遍存在着测量范围窄，结构较复杂，应用场合有限等问题［4，5］。光纤式位移传感器是在光纤上制作一定结构来实现“传”和“感”相结合的位移器件。与其他位移传感器有以下几个方面的不同:

1)从材料上讲，光纤位移传感器的基本制作材料是光纤。光纤的柔韧性好，抗电磁干扰以及抗腐蚀等特性，使之成为制作新型传感器的重要材料之一，进而使得光纤位移传感器具有更为广泛的应用前景。

2)从原理上讲，光纤制作位移传感器件时，其本身既可作为传光元件，又可作为感知器件，实现“传”和“感”相结合。光纤位移传感器是以光作为信息载体，其传输速度快，使得光纤位移传感器的响应速度快。

3)从结构上讲，光纤位移传感器的结构大致分为三部分，即光源，光纤以及光探测器。其结构简单，设计灵活、造价低廉、稳定性好。

由于光纤位移传感器的优良特性，使之广泛地用于医疗、交通、电力、机械、航空航天等各个领域。在未来，光纤位移传感器是最具有发展潜力的传感器之一。

1 光纤位移传感器的分类

目前常用的光纤位移传感器有本征型和非本征型两类。本征型光纤位移传感器是利用光纤本身作为“传”和“感”的器件，而非本征型光纤位移传感器只是利用光纤作为传光媒介。

1.1 本征型光纤位移传感器

1.1.1 微弯型光纤位移传感器

微弯型光纤位移传感器是利用沿着光纤轴向上的微弯效应制成的调制型传感器［6］，其结构示意图如图1。由于微弯效应，多模光纤的部分纤芯模式耦合到包层模式中，通过检测某些特定的模式(包层模或者纤芯模)的变化，可以检测出光纤的微弯情况，从而检测出变形器受到的位移量。微弯型光纤位移传感器是利用沿着光纤轴线上的微弯效应制成，限制了可检测的位移量，因此，其动态测试范围小，而且其系统结构复杂，加工难度高，导致了其无法在日常生活中或者工业上大批量生产使用［7］。

图1 微弯型光纤位移传感器结构示意图Fig 1 Structure diagram of micro-bend FODS

1.1.2 宏弯型光纤位移传感器

宏弯型光纤位移传感器的基本原理是机械运动可产生对宏弯损耗的调制作用。其结构与微弯型光纤位移传感器近似，由一根光纤(可以是单纤芯光纤，也可以是双纤芯光纤)形成的宏弯环(单环或者多环)组成的变形器，以及两端分别连接的光源和探测器组成［8，9］，其结构示意图如图2。当变形器的夹板受到位移(或力等)，其宏弯环的半径发生改变(形状变化)，宏弯损耗发生变化。通过探测器对光纤中光功率变化来检测位移、压力等物理量。宏弯型光纤位移传感器的结构简单，加工难度低，但由于其结构的限制，也存在动态检测范围小的缺点。

1.2 非本征型光纤位移传感器

1.2.1 反射型光纤位移传感器

反射式光纤位移传感器是基于对物体表面的反射光的调制而制成的传感器，也叫双光纤位移传感器［10］。由二根光纤组成，其中一根光纤作为传光光纤，另一根光纤作为接收光纤，二根光纤的半径可以相同，也可不同。当传光光纤的光射向被测物体，被测物体反射的光一部分被接收光纤接收。从物体表面反射的光强度受到其距离的影响，如图3。当物体反射面与接收光纤之间的距离变化，其接收到的光强度也会发生改变。通过检测接收光纤中的光强度，便可知物体位移的变化，这里主要是利用光纤传输光信号的功能。

图2 宏弯型光纤位移传感器结构示意图Fig 2 Structure diagram of macro-bend FODS

图3 反射型光纤位移传感器结构示意图Fig 3 Structure diagram of reflective FODS

这种光纤位移传感器，存在一个主要的缺陷，即“光峰”现象［11］，且在测量过程中存在测量盲区，即反射镜距离光纤过近，没有光强度能够入射到接收光纤内，从而限制了其测量范围，而且只有一根光纤接收光，其接收率很小，降低了测量灵敏度［12］。为了更好地解决这个问题，有人采用双通道甚至多通道的光纤位移传感器，弥补了这个缺陷［13，14］。

1.2.2 透射式光纤位移传感器

透射式光纤位移传感器是采用二根同样芯径的光纤“串联”而成，将二根光纤的平整端面相互靠近装配到一起，间距2 ～3 μm［15］，其结构示意图如图4。一根光纤①连接光源为整个系统提供光能量，另外一个光纤②接收从光纤①中传出的光，接收到的光能量与距离有关，根据此概念设计出了透射式光纤位移传感器［16］。

图4 透射式光纤位移传感器示意图Fig 4 Schematic diagram of transmission FODS

透射式光纤位移传感器的精度高，结构简单。但是其原理限制了测量范围，而且二根光纤的同轴性要求高，加工难度增大，又由于接收到的光能量少，对探测器提出了很高的要求。

1.2.3 干涉型光纤位移传感器

干涉型光纤位移传感器有双光束干涉仪和多光束干涉仪之分［17］，如图5。其中，双光束有迈克尔逊干涉仪和马赫—曾德干涉仪，多光束干涉仪有法布里—珀罗干涉仪和萨尼亚克干涉仪(即环形腔)［18］。干涉型传感器是基于干涉现象制成的检测装置，是利用物体的移动导致各个光路光之间光程差发生变化，干涉条纹也将发生明暗交替变化。当被测对象移动一定距离时，条纹亮暗交替变化一次，探测器输出信号变化一个周期，根据记录下的周期数计算出位移的量［19］。这种干涉仪的精度高，同时具有大的动态测试范围和很强的抗噪声的能力。

图5 干涉型光纤位移传感器示意图Fig 5 Schematic diagram of interferometric FODS

2 光纤位移传感技术的潜在应用

光纤位移传感技术不仅在位移传感方向具有很好的发展空间，还可以利用其技术原理检测其他的物理量［20］。例如:表面粗糙度测量，液体折射率测量，液位检测振动测试以及温度等。其中，表面粗糙度可以采用反射式光纤位移传感器结构，其反射的光能量受到反射面的粗糙度有关，其测量精度高，响应速度快［14］;另外，光纤位移传感技术还可以用于液位折射率测量，有研究工作者利用宏弯型光纤位移传感器结构设计了宏弯耦合结构液位探头(TMBCS probe)，这种液位探头的区分度高，灵敏度高，响应速度快［13］。比较其他传感器，光纤传感器在检测压力、温度或者振动等物理量时，均表现出良好的性能。

3 结束语

光纤位移传感器可以分为本征型和非本征型两类，是以光纤在位移测量过程中扮演的角色来决定的。本征型光纤位移传感器以光纤作为敏感介质，外界位移使得光纤结构发生变化，导致其内部模场的再分布，因此，通过分析模式分布引起的光能量改变便可检测外界所产生的位移;相反，非本征型光纤位移传感器以光纤作为传输介质，外界位移引起光传输效率的改变，同样利用输出光能量的改变来检测外界产生的位移。无论是本征型光纤位移传感器还是非本征型光纤位移传感器，其位移检测能力是很有潜力的。

总之，光纤位移传感器与传统位移传感器相比，其制作过程简单，设计灵活多变，具有很好的适应能力。但是，光纤位移传感器仍然存在一些缺陷，例如:动态测量范围小，线性度不高，抗污染能力较差等。另外，跨尺度位移测量一直是国际上未解决的难题，光纤位移传感器也不例外，在这方面还有待进一步发展。

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