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光纤传感器的特点有哪些

在工程应用中和科学研究中,温度都是一个非常重要参考量,占有举足轻重的地位,传统的温度传感器以热电偶、半导体及铂合金为主,它们的测量原理简单成本较低,因而在实际应用中被广泛使用。与传统的温度传感器相比,光纤温度传感器是利用一些物质吸取的光谱会随着温度的变化而变化,再分析光纤传输的光谱实时得测量温度变化情况,它的测量精度较高,并且灵敏度实时可调。

光纤传感器相对于其他传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、不受电磁干扰、耐腐蚀的特点,使得光纤传感器的应用范围较广,涉及到国防以及国民经济领域和人们的日常生活。光纤温度传感器种类很多,主要有光纤光栅温度传感器、光纤FabryPerot干涉式温度传感器、光纤荧光温度传感器、拉曼光纤温度传感器等。

光纤传感器的特点和优势

光纤传感器是基于光纤的设备,用于检测一些数量,通常是温度或机械应变,但有时也包括位移,振动,压力,加速度,旋转(使用基于Sagnac效应的光学陀螺仪测量)或化学物质的浓度。这种装置的一般原理是来自激光器(通常是单频?光纤激光器)或来自超发光源的光通过光纤发送,在光纤或一个或多个光纤布拉格中经历其参数的细微变化光栅,然后到达测量这些变化的探测器装置。

一个区分内在和外在的传感器。固有传感器是光纤本身(可能是修改形式,例如包含布拉格光栅)作为传感器的传感器。外部传感器仅使用光纤将光传输到实际传感器或从实际传感器传输光。

许多光纤传感器基于单根光纤,但其他光纤传感器则采用光纤束制成。例如,存在外部传感器,其中一些照明光通过束的一些光纤发送到样本,并且反射光或用过的荧光通过其他光纤发回。

与其他类型的传感器相比,光纤传感器具有许多优点:

  • 它们由电绝缘材料(不需要电缆)组成,这使得它们可以用于例如高压环境中。
  • 它们可以安全地用于爆炸性环境中,因为即使在出现缺陷的情况下也不存在电火花的风险。
  • 它们不受电磁干扰(EMI)的影响,即使是附近的雷击,也不会对其他设备造成电击。
  • 它们的材料可以是化学被动的,即不会污染其周围环境并且不会受到腐蚀。
  • 它们具有非常宽的工作温度范围(比许多电子设备可能的范围宽得多)。
  • 它们具有多路复用功能:单个光纤线路中的多个传感器可以通过单个光源进行查询。

布拉格光栅传感器

光纤传感器通常基于光纤布拉格光栅。许多光纤传感器的基本原理是光纤布拉格光栅的布拉格波长(即最大反射波长)不仅取决于布拉格光栅周期,还取决于温度和机械应变。

对于基于二氧化硅纤维的光学应变传感器,布拉格波长对应变的分数响应比应变本身小约20%,因为应变的直接影响在某种程度上通过折射率的降低而降低。温度效应接近单独热膨胀所预期的温度效应。应变和温度的影响可以通过各种技术来区分(例如,通过使用不受应变影响的参考光栅,或者通过组合不同类型的光纤光栅),从而同时获得两个量。

对于纯应变传感,分辨率可以是几μs的范围(即,相对长度变化几倍10?-6),并且精度可能不会低得多。对于动态测量(例如声学现象),可以实现在1Hz带宽内优于1nε的灵敏度。

还有布拉格光栅激光传感器,其中实现了光纤激光器,由两个光栅和其间的稀土掺杂光纤组成。或者,另一侧可以有一个FBG和一个宽带反射器。当提供泵浦光时,这种装置产生波长接近布拉格波长的输出。

准分布式传感

单根光纤可以包含许多串联的光栅传感器(见上文),以监测沿整个光纤的温度和应变分布。这称为准分布式传感。有不同的技术来解决单个光栅(以及沿光纤的某些位置):

  • 在称为波分复用(WDM)或光频域反射计(OFDR)的一种技术中,光栅具有略微不同的布拉格波长。甲波长可调?激光器中的询问器单元可以被调谐到属于特定的光栅波长,和最大的波长的反射率表示应变或温度的影响,例如。或者,宽带光源(例如,超发光源)可以与波长扫描光电探测器(例如,基于光纤Fabry-Pérot)或基于CCD的光谱仪一起使用。。在任何情况下,光栅的最大数量通常在10和50之间,受光源的调谐范围或带宽和每个光纤光栅所需的波长间隔的限制。
  • 另一种称为时分多路复用(TDM)的技术使用相同的弱反射光栅,用短光脉冲进行询问。然后通过它们的到达时间来区分来自不同光栅的反射。时分复用通常与波分复用相结合,以便将不同信道的数量乘以数百甚至数千。
  • 光学开关允许人们在不同的光纤线路之间进行选择,进一步增加可能的传感器数量。

分布式传感

其他光纤传感器不使用光纤布拉格光栅作为传感器,而是使用光纤本身。然后,传感原理可以基于瑞利散射,拉曼散射或布里渊散射。例如,光时域反射计是一种使用脉冲探测信号可以定位弱反射的方法。例如,还可以利用布里渊频移的温度或应变依赖性。

在某些情况下,测量的量是整个纤维长度的平均值。对于某些温度传感器而言,情况也是如此,但对于用作陀螺仪的Sagnac干涉仪也是如此。在其他情况下,测量位置相关的量(例如温度或应变)。这称为分布式传感

有关更多详细信息,请参阅光学温度传感器和光学应变传感器的文章

其他方法

除了上述方法之外,还有许多替代技术。一些例子是:

  • 光纤布拉格光栅可用于干涉光纤传感器,其中它们仅用作反射器,并且测量的相移由它们之间的光纤跨距产生。
  • 存在布拉格光栅激光传感器,其中传感器光栅形成光纤激光?谐振器的端镜,其包含例如一些掺铒光纤,其通过光纤线接收一些980nm泵浦光。布拉格波长取决于例如温度或应变,决定激光发射波长。这种方法具有许多进一步的变化,由于这种光纤激光器的线宽小而具有非常高的分辨率,并且具有非常高的灵敏度。
  • 在某些情况下,成对的布拉格光栅被用作光纤法布里 – 珀罗干涉仪,它可以对外部影响做出特别敏感的反应。法布里 – 珀罗干涉仪也可以用其他方法制造,例如在光纤中具有可变的气隙。
  • 长周期光纤光栅对于多参数传感(例如温度和应变)特别有用,并且对于对温度变化具有非常低灵敏度的应变传感也是如此。

应用

即使经过多年的发展,光纤传感器仍未取得巨大的商业成功,因为即使它们具有某些局限性,也难以取代已经成熟的技术。然而,对于某些应用领域,光纤传感器越来越被认为是一种具有非常有趣可能性的技术。这尤其适用于恶劣环境,例如高压和高功率机械或微波炉中的传感。布拉格光栅传感器还可用于监测例如飞机机翼,风力涡轮机,桥梁,大型水坝,油井和管道中的状况。带有集成光纤传感器的建筑有时被称为“智能结构”;

 

关键词:

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