看到科學(xué)家和工程師怎么利用(從積極的意義上來說)有些晦澀的基本物理原理來創(chuàng)造出創(chuàng)新的傳感器，總是很有意思。
例如，光纖在數(shù)據(jù)鏈路中的用途是眾所周知的，范圍涵蓋從短距離的板間和機(jī)箱內(nèi)路徑到跨越數(shù)千公里的路徑。它們不受EMI/RFI(電磁干擾/射頻干擾)和外部電子設(shè)備的影響，非常適合高干擾情況下的數(shù)據(jù)鏈路。此外，它們還可用作應(yīng)力和壓力傳感器。然而，光纖對無休止的電磁的抗擾性只有在正確的環(huán)境和特殊的布置下才有效。有一種技術(shù)可以利用法拉第效應(yīng)(又叫法拉第旋轉(zhuǎn)，磁致旋光)，即光穿過磁場時偏振平面的旋轉(zhuǎn)；這個磁場可以由電流引起(圖1)。電流越大，磁場越大，因此偏振旋轉(zhuǎn)越大。1845年，Michael Faraday (邁克爾·法拉第)在研究磁場對平面偏振光波的影響時，首次觀察到了這種效應(yīng)。
圖1這是光纖電流傳感器中由于電流通過導(dǎo)體而導(dǎo)致光偏振旋轉(zhuǎn)的示意圖。
資料來源：Fibercore/Humanetics
法拉第效應(yīng)
將磁場強(qiáng)度與旋轉(zhuǎn)角度聯(lián)系起來的比例常數(shù)稱為Verdet常數(shù)，以法國物理學(xué)家Marcel émile Verdet的名字命名，他在19世紀(jì)70年代末研究并量化了這種關(guān)系。Verdet常數(shù)是衡量特定材料中法拉第效應(yīng)強(qiáng)度的指標(biāo)，數(shù)值大表明該材料具有越強(qiáng)的法拉第效應(yīng)。如果只需要了解法拉第效應(yīng)就可以構(gòu)建出可行的電流傳感器，那就太好了，但在光學(xué)和電磁物理領(lǐng)域，這絕非易事。從原理上講，只需將光纖纏繞在載流導(dǎo)線上，即可利用Verdet常數(shù)來換算出電流值。顯然，這種實現(xiàn)方式提供了一種高電壓值電流隔離的重要特性，這在電源相關(guān)應(yīng)用中是一個重要的優(yōu)勢。當(dāng)然，還有一些微妙的細(xì)節(jié)問題，比如在將法拉第效應(yīng)用作實際的電流傳感器的過程中需要克服的現(xiàn)實問題。正如預(yù)期的那樣，任何振動或熱波動都會影響沿光纖的偏振狀態(tài)，因此光纖必須與這些影響隔離，但仍要保持對磁場引起的偏振旋轉(zhuǎn)的靈敏度。該解決方案需要一種與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路所使用的光纖截然不同的獨特光纖。一種被稱為旋轉(zhuǎn)高雙折射(SHB)光纖的先進(jìn)光纖結(jié)構(gòu)，可它能在微觀尺度上保持偏振，但在宏觀尺度上雙折射為零，而制造這種光纖是一項挑戰(zhàn)。為了達(dá)到這種效果，用于制造光纖的玻璃需要經(jīng)過精確的快速旋轉(zhuǎn)，使偏振軸不斷旋轉(zhuǎn)，沿光纖每隔幾毫米旋轉(zhuǎn)一圈。因此，盡管光纖上存在機(jī)械應(yīng)力，但光纖結(jié)構(gòu)仍能保持圓偏振，而且仍能保持對法拉第效應(yīng)的靈敏度。
用于電流檢測的光纖
通過仔細(xì)平衡光纖的旋轉(zhuǎn)間距和被精確控制的雙折射水平，可以設(shè)計出能克服卷繞過程中彎曲應(yīng)力影響的光纖，且仍能對法拉第效應(yīng)保持敏感。因此，可以使用更長長度的旋轉(zhuǎn)光纖，這樣就可以得到線圈更多、線圈直徑更小的光纖，從而獲得更高的靈敏度。毫不奇怪，在光纖基礎(chǔ)上構(gòu)建電流傳感器的過程遠(yuǎn)不止這一個復(fù)雜而微妙的步驟(圖2)。輸入激光束的圓偏振必須穩(wěn)定，因此需要在傳感器光纖之前安裝偏振控制光纖。反過來，這些光纖又需要大量的支持：1/4波片、保持光的偏振狀態(tài)的延遲環(huán)、調(diào)制器光纖和單偏振Zing光纖。Fibercore的Zing光纖是一種在特定波長范圍內(nèi)只支持一種偏振模式的光纖。
圖2高靈敏度光纖電流傳感器的光學(xué)原理圖：
(1)寬帶摻鉺光源，(2)耦合器，(3)光電檢測器，(4)偏振器，(5)45°接頭，(6)光纖調(diào)制器，(7)900米長延遲線圈，(8)45°接頭，(9) 1/4波片，(10)16m高雙折射旋轉(zhuǎn)(HiBi)光纖，(11)鏡子。資料來源：Fibercore/Humanetics
基于光纖的傳感器有什么功能
通過仔細(xì)控制信號鏈中的每個階段并優(yōu)化每個元件，傳感器可以提供高靈敏度和高精確度。IEEE(電氣與電子工程師協(xié)會)光波技術(shù)雜志1989年發(fā)表的一篇詳細(xì)技術(shù)論文“采用高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖的電流傳感器”(Electric Current Sensors Employing Spun Highly Birefringent Optical Fibers)，介紹了基本的光學(xué)物理理論和必要的方程式，還包括實際的安裝示例。這似乎是一個不錯的實驗室項目，但這些光纖電流傳感器(FOCS)是否已在實地安裝或測試？作為這些傳感器的領(lǐng)先供應(yīng)商，英國Fibercore表示，這些傳感器已在中國的全國配電網(wǎng)絡(luò)中使用，其他地方也正在安裝。該公司認(rèn)為，這種傳感器的優(yōu)點之一是其固有的電隔離功能，并且大多數(shù)光學(xué)器件和電子器件都可以在一定距離外安裝和操作，只有傳感器頭需要靠近載流導(dǎo)線安裝。這并不是光纖在數(shù)據(jù)鏈路之外的唯一用途。Fibercore網(wǎng)站介紹了這些光纖的許多其他用途，其中許多用途基于高度專業(yè)化的制造技術(shù)，可以控制和管理光波長、偏振、反射和許多其他屬性，從而可以制造出能應(yīng)對特殊挑戰(zhàn)的傳感器。我“有那么點兒”知道其中一些其他用途，但也有許多我沒有意識到的用途。高純度、超精密光纖技術(shù)最初是為數(shù)據(jù)鏈路而設(shè)計的，但經(jīng)過改良和演變后，其應(yīng)用領(lǐng)域卻截然不同，這是又一個例子，說明科學(xué)家和工程師是怎么看到先進(jìn)的“別處”， 并想出如何以新的創(chuàng)新方式加以利用的。您見過的最"抽象"或最奇特的傳感原理是什么？為了實現(xiàn)必要的性能，必須找出并克服哪些限制因素和誤差來源？是誰首先提出這些想法的？畢竟，即使理論存在，許多想法也并不為人所知。、
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