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光纤传感器的应用

四路光纤测温

 

光纤传感器具有抗电磁干扰、耐事故能力强、小型化、精度高等优点。为促进光纤传感器在更多行业的应用,对光纤传感器的研究进展进行了总结。先容了光纤传感器的基本组成和原理,概括了光纤传感器分类特征。按光纤在传感器中的作用,可分为功能型( 全光纤型) 光纤传感器、传光型光纤传感器和拾光型光纤传感器。按光波调制方式,可分为强度调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器以及偏振态调制型光纤传感器。按传感器目标分布方式,可分为点式光纤传感器、准分布式光纤传感器和分布式光纤传感器。光纤传感器在温度、位移和气体测量方面的应用很广,未来光纤传感器的发展趋示有着强大的发展方向。

传感器在人们日常生活中已经得到了广泛的应用,随着新一代传输媒介光纤的问世,传感器得到进一步的发展,出现了光纤传感器。光纤传感器的迅速发展始于 1977 年,至今光纤传感器的发展已日趋成熟。这一新技术的影响目前已十分明显,是人类信息化进程的重要标志之一。光纤是一种优良的敏感元件,适用于远程传输,监控范围广; 其次,光纤体积小,质轻,光信号传输能抗电磁干扰和抗辐射,适用于恶劣环境中监测,如易燃、易爆及电磁干扰。因此,光纤传感器已在各个领域得到研究与应用,成为传感器行业的先导。

本文主要先容光纤传感器的基本组成和原理,并详细光纤传感器按照不同分类方式的分类以及光纤传感器在温度、位移和气体等方面的应用,最后对光纤传感器未来的发展趋势进行了展望。

1 光纤传感器的原理

光纤传感器用于将被测量的信息转变为可测的光信号,其基本结构由光源、敏感元件、光纤和光检测器及信号处理系统组成。光纤传感器具有信息调制和解调功能。被测量对光纤传感器中光波参量进行调制的部位称为调制区,光检测器及信号处理部分称为解调区。当光源所发出的光耦合进光纤,经光纤进入调制区后,在调制区内受被测量影响,其光学性质发生改变( 如光的强度、频率、波长、相位、偏振态等发生改变) ,成为被调制的信号光。经过光纤传输到光检测器,光检测器接收进来的光信号并进行光电转换,输出电信号。最后,信号处理系统对电信号进行处理得出被测量的相关参数,也就是解调。

光纤传感器的分类

按光纤在传感器中的作用分类

根据光纤在传感器中的作用,光纤传感器可以分为功能型光纤传感器、传光型光纤传感器和拾光型光纤传感器。

①功能型光纤传感器。

功能型光纤传感器亦称作全光纤型光纤传感器,光源耦合的发射光纤和光探测器耦合的接收光纤是一根连续光纤,具有“传”和“感”两种功能,被测参量通过直接改变光纤的某些传输特征参量对光波实施调制。此类传感器结构紧凑、灵敏度高,但是需要用到特殊的光纤及先进的传感技术,比如光纤陀螺仪、光纤水听器等。

②传光型光纤传感器。

传光型光纤传感器的光纤仅仅起到传导光波的作用,其调制区在光纤之外,发射光纤与接收光纤不具有连续性,其原理为光照射在外加的调制装置( 敏感元件) 上受被测参量调制。这类传感器的优点是结构简单、成本低、容易实现,但灵敏度要低于功能型光纤传感器。目前已商用化的光纤传感器大多属于传光型光纤传感器。

③拾光型光纤传感器。

拾光型光纤传感器利用光纤作为探头,接收由被测对象辐射的光或者被其反射、散射的光并传输到光检测器,经过信号处理得出被测参量。光纤激光多普勒测速仪就是典型的拾光型光纤传感器。它所能够测量的流体的浊度比以往所测流体都要高至少 5 倍,实现了不透明流体局部速度的测量。此外,多普勒测速仪还被应用于列车的速度测量等。反射式光纤温度传感器亦是拾光型光纤传感器的代表之一。

按光波调制方式分类

根据被外界信号调制的光波物理特征参量的变化情况,光纤传感器可分为强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器以及偏振态调制型光纤传感器等 5 种。

①强度调制型光纤传感器。

强度调制是光纤传感中相对简单且使用广泛的调制方法。其基本原理为: 被测参量对光纤中传输光进行调制使光强发生改变,然后通过检测光强的变化( 即解调) 实现对待测参量的测量。强度调制型光纤传感器大多基于反射式强度调制。这类传感器结构简单、成本低、容易实现,但容易受光源强度波动的影响。强度调制型光纤传感器开发应用较 早,近年来的研究也在不断突破创新。

②频率调制型光纤传感器。

光频率调制,是指被测参量对光纤中传输光的频率进行调制,通过频率偏移来检测出被测参量。目前,频率调制型光纤传感器大多用于测量位移和速度。

③波长调制型光纤传感器。

被测量的信号通过选频、滤波等方式来改变传输光的波长,这类调制方式称为光波长调制。传统的光波长调制光纤传感器有基于游标效应的级联光纤干涉仪温度传感器。虽然该传感器的测温范围小,但其巨大的灵敏度使其能够满足某些特殊要求,如一些需要精确温度控制的科学仪器。光源和频谱分析器的性能极大影响了光纤波长探测技术。近年来迅速发展起来的光纤光栅传感器,则拓展了功能型光波长调制传感器的应用范围。

④相位调制型光纤传感器。

相位调制型光纤传感器的基本原理是: 在被测参量对敏感元件的作用下,敏感元件的折射率或者传播常数发生变化,导致传输光的相位发生改变,再用干涉仪检测这种相位变化得出被测参量。此类感器具有高灵敏度、快响应、动态测量范围大等优点,但是对光源和检测系统的精密度要求高。

⑤偏振态调制型光纤传感器。

偏振态调制光纤传感器不受光源强度影响、结构简单、灵敏度高。利用法拉第效应的电流传感器是其主要应用领域之一。

按目标分布情况分类

根据检测目标的分布情况,传感器可分为点式光纤传感器、准分布式光纤传感器和分布式光纤传感器。

①点式光纤传感器。

点式光纤传感器只能对某一点上的物理量进行感应,光纤上仅连接一个尺寸极小的敏感元件,一般为传光型光纤传感器。这类传感器的优缺点明显,检测性能较高,却无法对待测物体进行多点分布检测。

②准分布式光纤传感器。

准分布式光纤传感器可对待目标同时进行多点检测,光纤上连接多个点式光纤传感器。典型的准分布式光纤传感器应用案例有光纤水听器列阵[24]和光纤光栅阵列传感器。

准分布式光纤传感器的优点是能够进行同时多点传感,是光纤传感的一个重要发展趋势。然而,目前的准分布式光纤传感器能够同时传感的点位数量是有限的。

③分布式光纤传感器。

分布式光纤传感器整根光纤都属于敏感元件,光纤既是传感器,又是传输信号的介质,适用于检测结构的应变分布。例如应用于土木工程中的大型结构,可以快速、无损地测量结构的位 移、内 部 或 表 面 应力等重要参数。根据沿着光纤的光波参量分布,同时获取传感光纤区域内随时间和空间变化的待测量分布信息,可实现大范围、长距离、长时间的连续传感。

目前主要的分布式光纤传感器类型主要有干涉型光纤传感器、光纤布拉格光栅传感器等。工程应用中,分布式光纤传感技术可以连续不间断地动态监测目标物的受力变化情况,监测结果准确度高、抗干扰能力强。

光纤传感器的应用

光纤传感器能够实现的传感物理量十分广泛,能够对许多种外界参量进行测量。其中,对温度、位移以及气体方面的测量应用尤为突出,被广泛用于各行各业,有着十分广阔的市场和前景。

光纤温度传感器

光纤位移传感器。

光纤气体传感器。

近二十年来随着技术设施的发展,以光纤本身固有特性为基础的光纤传感器得到了广泛的应用。光纤传感器必将进一步发展,影响社会发展以及人们生活的各方各面。另外,光纤传感器在特殊领域中的关键技术及应用应得到关注。20 世纪 90 年代,国外就开展了光纤传感器在核电厂的应用研究,光纤传感器能覆盖核电厂各种参数的测量。理论上,可以构建一个全光纤传感系统,从而充分发挥光纤传感器所具有的精度高、小型化、分布式抗电磁干扰、本质安全等优势。未来,为了满足自动化应用,光纤-无线传感器网络技术则是实现自动化的关键,能够实现实时监测,有利于实现自动化生产,光纤-无线传感器将有宽阔的应用前景。

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光纤联系

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