光纤传感器的应用

光纤传感器的应用 光纤传感器的应用及发展 光纤传感器的应用与发展 摘要:本文主要阐述了传光型光纤传感器与传感型光纤传感器的基本原理,及光 纤传感器的结构、原理、分类、特点、现状及发展趋，提出了光纤传感技术存 在的问题以及发展方向，并介绍了光纤传感器的几种应用。 关键词:光纤传感技术 调制 发展趋势 应用举例 Abstract: The principles of some kinds of optical fiber sensors are introduced ，and the optical fiber sensor's structure, the principle, the classification, the characteristic, the present situation and the development hasten . The problems and developing direction of optical fiber sensing technology are proposed. At the same time introduced optical fiber sensor's several kind of applications. Key words: fiber optic sensing technology; modulation; trend of development; application example 0 引言 近几年,传感器产量的年增长率均保持在10%以上,目前全球从事传感器生产 和研制的单位达5000多家。传感技术作为当今世界迅猛发展起来的技术之一, 已经成为一个国家科学技术水平发展的重要标志。光纤传感技术的出现与光导 纤维和光纤通信技术的发展是分不开的，是一种崭新的传感技术。光纤传感器 是以光纤为材料的传感器。本文阐述了光纤传感技术，及光纤传感器的原理、 特点、现状及发展趋势，并介绍了光纤传感器的几种应用。 1光纤传感器的基本原理 光纤传感器是利用光在光纤中传播特性的变化来检测、量度它所受到的环 境变化。通过被测物理量的变化来调制波导中的光波，使光纤中的光波参量随 第1页 光纤传感器的应用及发展 被测物理量的变化而改变，从而求得被测信号的大小。 光纤传感技术可分为传光型和传感型两类。光纤传感技术的核心是光纤传感器,相应的光纤传感器也分为传光型光纤传感器和传感型光纤传感器。 1.1 传光型光纤传感器工作原理 传光型光纤传感器也称非功能型光纤传感器或强度调制型光纤传感器,光纤主要起传输光波的作用,传光型光纤传感器主要由光源、光纤、光调制器、敏感元件、光电探测器、检测电路等组成。传光型光纤传感器的基本原理是待测物理量引起光纤中的传输光光强I变化,通过光强I的检测实现对待测物理量的测量。强度调制的特点是简单、可靠、经济。强度调制的方式很多,主要有反射式强度调制(如图1所示)和透射式强度调制(如图2所示) 图1 反射式强度调制原理图 图2 透射式强度调制原理图 1.2 传感型光纤传感器工作原理 传感型光纤传感器也称功能型光纤传感器,光纤既传光又传感,即还充当敏感元件。对于传感型光纤传感器而言,当光在光纤中传播时,被测物理量或外界因素作用在光纤上,使得光纤中传输光的振幅、相位、波长、偏振态等发生改变,此过程为光调制,调制后的光经光纤传输到光电探测器解调后转换成电信号输出。传感型光纤传感器的原理比传光型光纤传感器的复杂得多。传感型光纤传感器应用最多的是相位调制型光纤传感器或者干涉型光纤传感器,即外界因素 第2页 光纤传感器的应用及发展 使光纤中传输光的相位变化,进而改变出射光(干涉光)的强度变化来达到测量目的。常用的干涉型光纤传感器有Michelson干涉式光纤传感器、Mach-Zehnder干涉式光纤传感器、Fabry-Perot(F-P)干涉式光纤传感器、Sagnac干涉式光纤传感器、Fizeau干涉式光纤传感器等。干涉型光纤传感器是高精度光纤传感与测量技术的最佳选择。 2光纤传感器分类 根据调制区与光纤的关系，可将调制分为两大类:一类为功能型调制，调制区位于光纤内，外界信号通过直接改变光纤的某些传输特征参量对光波实施调制。这类光纤传感器称为功能型或本征型光纤传感器，也称内调制型传感器，光纤同具“传”和“感”两种功能。同光源耦合的发射光纤与同光探测器耦合的接收光纤为一根连续光纤，称为传感光纤，故功能型光纤传感器亦称为全光纤型或传感型光纤传感器。另一类为非功能型调制，调制区在光纤之外，外界信号通过外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制，这类光纤传感器称为非功能型或非本征型光纤传感器，发射光纤与接收光纤仅起传输光波的作用，称为传光光纤，不具有连续性，故非功能型光纤传感器也称为传光型光纤传感器或外调制型光纤传感器。 光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长(颜色)调制光纤传感器。 光纤传感器按被测对象，又可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等。 3光纤传感器的现状和发展趋势 3.1发达国家光纤传感器的现状 近年来，光纤传感器作为一种新兴的应用技术，在许多领域显示出强大的生命力。融合光学、物理学、化学、生物医学、精密机械、微电子和计算机等学科为一体的光纤传感技术，经过30多年的研究开发，已为众多的被测物理量找到了相应的传感方法和设计原理。目前，光纤传感器可以对位移、压力、温 第3页 光纤传感器的应用及发展 度、速度、振动、液位、角度等70种物理量进行测量。一些工业发达国家，如美国、英国、德国和日本等国，均投入相当多的人力、物力先后制定发展规划，其研究重点在以下六个方面: ?光纤传感器系统; ?现代数字光纤控制系统; ?光纤陀螺; ?核辐射监控; ?飞机发动机监控; ?民用。 3.2我国光纤传感器的现状 我国光纤传感器的研究工作主要自1983年开始。近10年来，一些大学、科研院所、公司等都纷纷在这方面投入了大量的人力、物力使得光纤传感技术得到飞速的发展。虽说国内对高精度的光纤传感器有不少报导，但真正形成大规模应用和生产的却少之又少，没有能够大规模的走出实验室，面向工业界。近日，国家最大的光纤传感器研究基地在武汉理工大学成立，这标志着我国正努力让实验室里的光纤传感器逐步走出实验室，走向人们的实际生活和工业测量当中。 3.3光纤传感器的发展趋势 经过多年的开发和实际使用，光纤传感器所反映出的主要问题是长时间的飘移，就其根源为来自光纤传输线的衰减，耦合器特性的不稳定，光源输出光功率不稳定以及探测器的噪声等。目前光纤传感器研究趋势: 1. 改进光纤传感头的调制形式，采用参考光路注入参考信号可以消除由光学结 构的飘移特性带来的测量影响。 2. 从单只传感器向传感器阵列的研究，外加微机控制以实现阵列的遥测遥控。 加强基础元器件的研究，以提高可靠性和稳定性。 3. 光纤传感器的国际标准化，现已提上议事日程。 4. 开发光纤传感器的灵巧结构，内含光纤传感器系统的复合材料已成为光纤灵巧构件的研究热点。 第4页 光纤传感器的应用及发展 4光纤传感器的特点 与传统的传感器不同，光纤优良的物理、化学、机械以及传输性能，使光纤传感器具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度很高、测量带宽很宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点,并可以构成传感网络。先进的光纤传感器的灵敏度比传统的传感器高几个数量级,可以测量的物理量已达70多种。起来它具有一下几个优点: 1.精度高，响应速度快，线性特征范围宽，使用的重复性好，检测信号的信噪比高，由于现在光纤的量产化，价格低廉，可以广泛使用。 2.光纤是由电介质材料石英制成，传输的是光信号，因此安全性、可靠性好，抗电磁干扰能力强，能适应在电力、石油、化工、冶金等易燃易爆或有毒的环境条件下工作。 3.抗腐蚀，抗污染能力强，可用于温差较大的地方，时间时间老化特性优良，工作寿命长。 4.体积小，重量轻，容易安装，对被测对象环境适应能力强。 5.光纤是无源器件，自身独立性好，不会破坏被测量的状态。 6.测量对象广泛。目前已有性能不同的多种测量温度、压力、位移、速度、液面、核辐射等各种物理量、化学量、生物量等的光纤传感器。 7.便于多点复用、传输损耗小，适合于组成测量网络，实现多点实时智能化的遥测。 5光纤传感应用举例 光纤传感技术优于其他传感技术的原因在于它是在光纤通信的基础上发展的，光纤通信拥有一个广阔的市场，能提供一系列低价格的器件，更重要的是，它形成一门能为光纤传感器所使用的基础科学。光纤传感技术由于相对于传统传感技术有着多方面的优势，从而在各个领域得到了普遍的应用。下面就列出几个它的主要应用领域，并加以简单说明。 5.1过程控制用的物理传感器和化学传感器 许多工厂的电磁环境和周围空气中含有的物质，如重金属、化学物、燃化油蒸汽等，都不利于常规电传感器和仪器的操作。因此，对高可靠性和安全性的 第5页 光纤传感器的应用及发展 非导电传感器的需求很强烈。由于独特的电绝缘性，赋予光纤传感器的抗电磁干扰能力，还有其在易燃易爆场合的本 证安全性，以及快速响应和对腐蚀液体的抗拒性，使得光纤传感器得到了很好的发展。在工矿企业中，光纤传感器主要用于检测温度、位移、压力、液位、加速度和流量等参数，也可用于爆炸性和可燃性油气泄漏等场合。在过程控制中使用的，目前绝大部分是外在式(非本征)的光纤传感器。 典型的应用有:开—关型传感器，温度传感器，机械传感器(检测压力、位移、加速度、流量等)，化学传感器(检测液位、油液泄漏、气体等)。 5.2化学、生物化学和医用传感器 在这个测量应用领域中，使用的基本换能手段大部分都可以归结在常规的化学测量传感器的范畴内。由光激发的原子或分子的各种可能态之间的跃迁具有相当明确的特征，可以给出与该分子与周围介质耦合关系有关的丰富信息，因此，与化学结构相关的信息，可以通过对光吸收系数、荧光和拉曼光谱或斯托克斯频移光的测量来获取。化学反应的测定，通常可借助比色试剂或指示剂观察某一反应产物，从而对直接参与反应的各类物质进行光测量来完成。 由于光纤的应用，使得远程测量成为可能。首先低损耗的光纤使得光在光纤内传播几公里远而不需要任何中继放大。这样，光源和分析仪器可以放置在与样品保持相当距离的清洁环境中，无需前往现场取样即可获得检测信号;其次，光纤探头相当小，可以安置在其他类型的探头难以到达的测定点处，同时细小的探头也使试剂、原料的消耗更少。 目前，这类传感器的主要应用有:气体分析仪，折射率和液位传感器，浊度(或散射)的测量，PH值传感器，血氧测定计，CO2传感器，葡萄糖分传感器，医用物理传感器等。 5.3光纤传感器在航空和航海中的应用 航空工业是光纤传感器最有潜力的用户之一，这主要是因为光纤传感器具有重量轻，以及相应的传导线具有抗辐射特性的优点。光纤通讯在飞机上的应用就充分表明了这一点。由于相邻光纤之间绝对无串话干扰，所以整个布线就非常简单。但是，由于航空业在接受新型仪器系统方面向来很保守，所以光纤传感器的广泛应用还需要相当长的时间。不过，环形激光陀螺仪作为导航仪的 第6页 光纤传感器的应用及发展 使用，已表明了光学仪器在航空工业应用的开端。 光纤在航海工业的应用潜力主要在军事方面，而大多为海底应用，但光纤在航海安全方面的应用也在增加，其中最大的应用潜力大概是在烃的勘探和运输方面，比如，有的勘探平台已安装了可燃气体传感器，使用相当成功。 在航空和航海这两个领域，光纤传感器的主要应用有:航空方面:光纤惯性传感器(光纤陀螺仪)[5]，监测控制表面位置的位移传感器，用于碳素纤维复合材料制作性能监测的植入式光纤传感器，燃烧式涡轮发动机的先进检测;航海方面:水听器(尤其是后托式多元阵列)，地磁仪。 6结语 随着光纤通信技术的迅速发展，特别是光纤与光电器件的理论、工艺水平和性能的不断提高和完善，使光纤技术进入了非通信领域。在现代信息社会中，随着相关科学技术的进步和完善，光纤传感技术及其应用将有着越来越重要的地位。“中国2010年远景规划”已将传感器列为重点发展的产业之一，物联网的发展将推动传感器的发展，传感器的市场需求是非常巨大的。 光纤传感器凭借着其大量的优点已经成为传感器家族的后起之秀，并且在各种不同的测量中发挥着自己独到的作用，成为传感器家族中不可缺少的一员。光纤传感器的市场发展空间的潜力是非常巨大的。 参考文献: [1]B.Culs haw，J.Dakin，光纤传感器(李少慧，宁雅农等译).武汉:华中理工大学出版社.1997.606,7763. 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