光学压力传感器

什么是光学压力传感器？

光学压力传感器通过对光线的影响来检测压力的变化。

在最简单的情况下，这可能是一个机械系统，随着压力的增加，它会挡住光线。在更先进的传感器中，相差的测量可以非常精确地测量微小的压力变化。

工作原则

简单的光学压力传感器

在基于强度的光学压力传感器中，压力的增加将导致光源逐渐被阻挡。传感器然后测量接收到的光的变化。

例如，在下面显示的简单机制中，压力使光阑移动，而连接的不透明叶片会阻挡来自LED的更多光。光电二极管检测到光强度的下降，并直接测量压力。

像这样的简单光学压力传感器需要一个参考光电二极管（如右图所示），该光电二极管永远不会被叶片遮挡。这允许传感器校正由于其他因素（例如光源的老化，电源电压的变化等）而导致的光输出变化。

这些机械系统相对较大。可以用反射膜和两根光纤构成更小的版本，一根光纤作为光源，另一根光纤接收反射光。压力会使膜弯曲，并改变反射回检测器的光量（见右图）。

其他光纤传感器使用干涉测量法来测量由压力变化引起的光的路径长度和相位变化。本节的其余部分将重点介绍这些内容。

功能

光纤压力传感器可以分类为非本征传感器（在光纤外部进行传感）或本征传感器（固有的），其中光纤本身随压力变化。

利用干涉测量法可以进行非常灵敏的光学测量：测量经过两条不同路径的光之间的相位变化。这可以检测到与光的波长的一部分相对应的距离的变化。

有两种常用的使用干涉测量法的压力传感器。它们是法布里-珀罗干涉仪（FPI）和光纤布拉格光栅（FBG）。

FPI是一种非本征传感器，它使用空腔中两个表面之间来回反射的多条光线之间的干涉。随着它们之间的间隔改变，干涉将改变在特定波长处接收的光量。

这是最好的光学传感器技术之一。它简单，准确且易于缩放以适应不同的尺寸和压力范围。

FBG是一种固有传感器，在光纤中具有规则的一系列反射结构，这些结构受拉伸或挤压光纤的影响。这导致反射光的波长改变。

施工

具有两个平行反射面的Fabry-Pérot腔可以构建在光纤的尖端上（如左图所示）。

半反射表面连接到光纤（M1），并且在腔体（M2）的另一端形成反射膜。该膜形成通过压力移动的隔膜。

反射镜之间的间距变化会导致各束光线（E1和E2）传播的路径发生差异，从而导致它们之间的相对相移。产生的干涉将增强或减少特定波长的光。

多次反射和大量干扰射线导致非常高分辨率的测量。

使用光纤折射率的一系列周期性变化，可以在光纤中创建布拉格光栅。基于波长与间隔之间的比率，这导致特定波长的光被反射或透射。结果，反射光的光谱随着纤维和间隔的拉伸而变化。

可以将纤维连接到隔膜上，该隔膜在施加压力时会拉伸纤维。压缩光纤还会改变光栅的效果，从而在光谱中产生两个峰值。

两种类型的传感器的输出均可通过两种方式进行测量。如果使用单色或窄带光源，则由于腔的长度（或光栅的间距）会改变该波长的反射量，因此输出信号的幅度将发生变化。

也可以使用诸如白光之类的宽带光源。在这种情况下，发生相长干涉或相消干涉的频率将随压力而变化。可以使用频谱分析仪进行测量。

这些结构，尤其是法布里-珀罗（Fabry-Pérot）腔体，也适用于硅制造技术，从而可以将更小的光学传感器制成微机电系统（MEMS）器件。

波导（等效于光纤）和机械组件（如悬臂和薄膜）可以在微米级构建。

这些传感器尺寸小，可以非常迅速地响应压力变化。发光二极管，固态激光器，光电二极管检测器和电子设备都可以集成在同一设备上。

应用领域

由于不受电磁干扰的影响，光纤传感器在恶劣的环境中非常有用。

一个例子是石油和天然气工业。井中的条件很容易达到20 kpsi和185ºC。在这些极端条件下，光学传感器的性能仍然很好。

它们的体积小，灵活性强，没有任何潜在的危险电压以及传感器由无毒材料制成的事实使其非常适合医疗应用。

人体中很多地方的压力测量对于诊断，长期监测或治疗过程中都很重要。

除了更明显的测量（例如血管和肺部压力）外，测量消化道，膀胱，脑，骨骼和关节中的压力通常也很有用。光纤传感器允许以最小的侵入方式完成此任务。

当需要在MRI扫描或RF消融手术期间监测压力时，抗电磁干扰能力非常重要。

压力传感器的要求根据测量的原因，进行测量的位置，要测量的值的范围以及用于单次测量还是长期监控而变化。还为医疗设备定义了各种标准。可以设计光纤传感器来满足这些要求的广泛范围。

Fabry-Pérot传感器可用于精确监控体内特定位置的压力，通常通过导管引入。

可以在光纤内创建多个光纤布拉格光栅，从而可以沿其长度测量压力。例如，它已用于测量消化过程中整个结肠的压力变化。

光纤还可以提供2D区域的测量。这对于监视卧床患者的身体压力以减少溃疡风险很有用的优点和缺点

基于强度的传感器对温度变化不是很敏感，因为测量和参考检测器受到的影响相同。由于所需的移动量很小，因此磁滞和重复性误差非常低。

光纤传感器的小尺寸和灵活性意味着它们可以部署在其他技术难以接近的位置。

传感元件本身是无源的并且不需要电源，这一事实使传感器可以用于可能会给传感器供电的各种应用中。这也消除了由于寄生电容，电磁干扰等引起的信号传输问题。

另一方面，它们的小尺寸可能意味着它们不如其他传感器类型坚固。它们的高灵敏度也可以使它们对声学或机械振动更加敏感。

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