光纖傳感器基本原理

suizhegongyishuipingdetigao
，guangxianjishumuqianxiangduichengshu。guangxianchuanganqijiweiyingyongguangxianchuanshudejibenyuanlizuhedeyigeguangdianganyingxitong。tongchangdeguangxianchuanganxitongyouguangyuan、光導纖維
、光傳感元件，光調製元件和信號處理部分組成。其工作原理如下圖所示：光guang源yuan發fa出chu的de光guang經jing過guo光guang導dao纖xian維wei進jin入ru光guang傳chuan感gan元yuan件jian，而er在zai光guang傳chuan感gan元yuan件jian中zhong受shou到dao周zhou圍wei環huan境jing場chang的de影ying響xiang而er發fa生sheng變bian化hua的de光guang再zai進jin入ru光guang調tiao製zhi機ji構gou，由you其qi將jiang傳chuan感gan元yuan件jian測ce量liang的de參can數shu調tiao製zhi成cheng幅fu度du、相位、偏振等信息
，這一過程稱為光電轉換過程，最後利用微處理器進行信號分析。

ruqiansuoshukeyikanchuguangxianchuanganqidechuanganjilihediancichuanganqidechuanganjilishixiangside

，danshiguangxianchuanganqiyouyuqiceliangxinhaodezaitishijiguang
，qizaiguangdaoxianweineibuchuanbo，hennanshoudaowaijiediancichangganrao，yincishihefuzagongkuangxiadejiance，qiecaozuofangbianlinghuo，xinhaoshuchuzidonghua。

 
圖1：光纖傳感器

光纖傳感器的分類及特點

光纖傳感器的分類

光纖傳感器的分類有不同的方式

按光纖在光纖傳感器中的作用可分為傳感型和傳光型兩種類型。
傳chuan感gan型xing光guang纖xian傳chuan感gan器qi的de光guang纖xian不bu僅jin起qi傳chuan遞di光guang作zuo用yong，同tong時shi又you是shi光guang電dian敏min感gan元yuan件jian。由you於yu外wai界jie環huan境jing對dui光guang纖xian自zi身shen的de影ying響xiang，待dai測ce量liang的de物wu理li量liang通tong過guo光guang纖xian作zuo用yong於yu傳chuan感gan器qi上shang，使shi光guang波bo導dao的de屬shu性xing(光強、相位、偏振態、波長等)被調製。傳感器型光纖傳感器又分為光強調製型
、相位調製型、振態調製型和波長調製型等。

傳光型光纖傳感器

傳光型光纖傳感器是將經過被測對象所調製的光信號輸入光纖後,通tong過guo在zai輸shu出chu端duan進jin行xing光guang信xin號hao處chu理li而er進jin行xing測ce量liang的de，這zhe類lei傳chuan感gan器qi帶dai有you另ling外wai的de感gan光guang元yuan件jian對dui待dai測ce物wu理li量liang敏min感gan
，光guang纖xian僅jin作zuo為wei傳chuan光guang元yuan件jian
，必bi須xu附fu加jia能neng夠gou對dui光guang纖xian所suo傳chuan遞di的de光guang進jin行xing調tiao製zhi的de敏min感gan元yuan件jian才cai能neng組zu成cheng傳chuan感gan元yuan件jian。光guang纖xian傳chuan感gan器qi根gen據ju其qi測ce量liang範fan圍wei還hai可ke分fen為wei點dian式shi光guang纖xian傳chuan感gan器qi、積分式光纖傳感器、分布式光纖傳感器三種。其中
，分布式光纖傳感器被用來檢測大型結構的應變分布，可以快速無損測量結構的位移

、內部或表麵應力等重要參數。目前用於土木工程中的光纖傳感器類型主要有Math-Zender幹涉型光纖傳感器，Fabry-pero 腔式光纖傳感器，光纖布喇格光柵傳感器等。

 
圖2：光電傳感器工作原理

光纖傳感器的特點

研究和工程應用表明光纖傳感器具有如下特點：

⑴高gao靈ling敏min度du
，抗kang電dian磁ci幹gan擾rao。由you於yu光guang纖xian傳chuan感gan器qi檢jian測ce係xi統tong很hen難nan受shou到dao外wai界jie場chang的de幹gan擾rao
，且qie光guang信xin號hao在zai傳chuan輸shu中zhong不bu會hui與yu電dian磁ci波bo發fa生sheng作zuo用yong，也ye不bu受shou任ren何he電dian噪zao聲sheng的de影ying響xiang
，由you於yu這zhe一yi特te征zheng，光guang纖xian傳chuan感gan器qi在zai電dian力li係xi統tong的de檢jian測ce中zhong得de到dao了le廣guang泛fan應ying用yong。

⑵光纖具有很好的柔性和韌性
，所以傳感器可以根據現場檢測需要做成不同的形狀。

⑶測量的頻帶寬、動態響應範圍大。

⑷可移植性強，可以製成不同的物理量的傳感器
，包括聲場

、磁場、壓力、溫度、加速度
、位移、液位、流量、電流

、輻射等。

⑸可嵌入性強
，便於與計算機和光纖係統相連
，易於實現係統的遙測和控製。

 
圖3：光纖傳感器應用電路圖

光纖傳感器土木工程中的應用舉例

隨著光纖傳感技術的發展，在土木工程領域光纖傳感器得到了廣泛的應用，用來測量混凝土結構變形及內部應力，檢測大型結構、橋梁健康狀況等
，其中最主要的都是將光纖傳感器作為一種新型的應變傳感器使用。

光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)以(yi)黏(nian)貼(tie)在(zai)結(jie)構(gou)物(wu)表(biao)麵(mian)用(yong)於(yu)測(ce)量(liang)，同(tong)時(shi)也(ye)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)預(yu)埋(mai)實(shi)現(xian)結(jie)構(gou)物(wu)內(nei)部(bu)物(wu)理(li)量(liang)的(de)測(ce)量(liang)。利(li)用(yong)預(yu)先(xian)埋(mai)入(ru)的(de)光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，可(ke)以(yi)對(dui)混(hun)凝(ning)土(tu)結(jie)構(gou)內(nei)部(bu)損(sun)傷(shang)過(guo)程(cheng)中(zhong)內(nei)部(bu)應(ying)變(bian)的(de)測(ce)量(liang)，再(zai)根(gen)據(ju)荷(he)載(zai)－應變關係曲線斜率，可確定結構內部損傷的形成和擴展方式。通過混凝土實驗表明
，光纖測試的載荷－應變曲線比應變片測試的線性度高。

在實際的工程應用中要實現對結構建築物的全方位

、長期的檢測就要解決好光纖傳感器的布設問題。為了不至於對傳感器造成施工損傷破壞，一般可以采用以下方法：

①將jiang一yi金jin屬shu導dao管guan套tao在zai光guang纖xian傳chuan感gan器qi上shang
，一yi起qi置zhi於yu混hun凝ning土tu結jie構gou中zhong。混hun凝ning土tu澆jiao築zhu後hou，在zai混hun凝ning土tu固gu結jie前qian將jiang金jin屬shu導dao管guan取qu出chu，這zhe樣yang光guang纖xian光guang柵zha傳chuan感gan器qi與yu混hun凝ning土tu很hen好hao地di固gu結jie在zai一yi起qi，而er且qie不bu會hui因yin為wei澆jiao築zhu過guo程cheng損sun壞huai傳chuan感gan器qi。

②由於鋼筋的應力－應(ying)變(bian)也(ye)足(zu)以(yi)反(fan)映(ying)鋼(gang)筋(jin)附(fu)件(jian)的(de)混(hun)凝(ning)土(tu)受(shou)力(li)狀(zhuang)態(tai)，可(ke)以(yi)將(jiang)光(guang)纖(xian)光(guang)柵(zha)傳(chuan)感(gan)器(qi)直(zhi)接(jie)粘(zhan)貼(tie)於(yu)鋼(gang)筋(jin)上(shang)
，或(huo)在(zai)鋼(gang)筋(jin)表(biao)麵(mian)開(kai)一(yi)個(ge)小(xiao)凹(ao)槽(cao)，使(shi)光(guang)柵(zha)的(de)裸(luo)纖(xian)芯(xin)部(bu)分(fen)嵌(qian)進(jin)凹(ao)槽(cao)得(de)以(yi)保(bao)護(hu)，或(huo)在(zai)建(jian)造(zao)橋(qiao)時(shi)把(ba)光(guang)纖(xian)埋(mai)進(jin)複(fu)合(he)筋(jin)。③將jiang光guang纖xian光guang柵zha直zhi接jie埋mai入ru小xiao型xing預yu製zhi構gou件jian或huo者zhe封feng裝zhuang在zai金jin屬shu導dao管guan中zhong然ran後hou把ba小xiao型xing預yu製zhi構gou件jian作zuo為wei大da型xing構gou件jian的de一yi部bu分fen埋mai入ru，外wai部bu荷he載zai通tong過guo預yu製zhi件jian或huo金jin屬shu導dao管guan傳chuan遞di到dao光guang纖xian光guang柵zha傳chuan感gan器qi上shang。

結語

光纖傳感器進入結構監測領域具有重要意義。光纖傳感器的輕巧性、耐用性和長期穩定性，使其能夠方便的應用於建築鋼結構和混凝土等各種建築材料的內部應力、應變檢測。實現的建築結構的健康檢測。