光纤传感器：原理、分类与特性详解

光纤传感器是一种利用光的传播特性来检测和测量物理量的精密传感器。其工作原理基于光纤的特殊构造和光学性质。当光线射入光纤，由于纤芯和包层折射率的不同，光线会发生折射和反射，其中部分光能量被传输到包层，部分返回纤芯。这种现象使得光的强度、波长、频率等光学性质能够受到外部参数的影响而发生变化。 光纤传感器的核心组成部分包括中心的高折射率纤芯，直径仅为几十微米，包裹在外层低折射率的包层，通常还有保护套以增强机械强度。不同类型光纤的选择对传感器性能有直接影响：功能型光纤传感器，如多模光纤，因其能传输更多光量而具有高灵敏度，但成本较高且需要特殊光纤；而非功能型光纤传感器，如单模光纤，虽然灵敏度相对较低，但易于实现且成本更低，更适用于实用化场景。 功能型光纤传感器利用光纤本身作为敏感元件，物理量的变化直接改变光的传输特性，如光纤陀螺和光纤水听器等。非功能型传感器则通过其他敏感元件感知外部变化，光纤仅负责光的传输，适合用于远程或难以接近的测量环境，如传光型或混合型传感器。 光纤传感器的优点众多：它们具有优异的传光性能，损耗极低，适合高频宽的超高速测量；体积小、重量轻，适于非接触式测量，且不易受电磁干扰；能弯曲，适应各种形态设计；灵敏度高，线性好，耐高温、高压和腐蚀，具有良好的电绝缘和防爆特性；同时，易于与微机系统集成，支持远程监控。随着光导纤维和光纤通信技术的发展，光纤传感技术在工业、医疗、军事等领域得到了广泛应用，成为现代工业自动化和智能系统中的重要组成部分。