光纖傳感器論文

..光纖傳感器毛琪132640〔儀器科學(xué)與工程學(xué)院，東南大學(xué)，210096〕摘要：光纖傳感器是現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用的一類(lèi)新型傳感器，具有抗電磁干擾、靈敏度高、重量輕、本錢(qián)低等優(yōu)良的特點(diǎn)。本文詳細(xì)介紹了光纖傳感器原理、構(gòu)造和特性等方面的容。同時(shí)舉例說(shuō)明了光纖傳感器在實(shí)際工程應(yīng)用中的廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞：光纖傳感器；原理；工程應(yīng)用FiberopticsensorMaoQi132640(SchoolofInstrumentScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096)Abstract：Fiberopticsensorisanewtypeofsensorwithexcellentfeaturesofanti-electromagneticinterference,highsensitivity,lightweightandlow-cost,whichisnowwidelyused.Thepaperdetailedlyintroducestheprinciples,structuresandcharacteristicsoffiberopticsensors.Atthesametime,someexamplesareprovidedtoillustratethatfiberopticsensorsareextensiveusedinpracticalengineeringapplications.Keywords:fiberopticsensor(FOS);principle;engineeringapplication..引言傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱，傳感器作為探測(cè)與獲取外界信息的重要環(huán)節(jié)之一而被應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)及軍事等各個(gè)領(lǐng)域。近20多年來(lái)，光纖傳感器的開(kāi)展那么大有取代傳統(tǒng)傳感器的趨勢(shì)。光纖傳感器是光通信和集成光學(xué)技術(shù)開(kāi)展的結(jié)晶，與傳統(tǒng)的傳感器不同，它將被測(cè)信號(hào)的狀態(tài)以光信號(hào)的形式取出。光信號(hào)不僅能被人所直接感知，并能通過(guò)利用半導(dǎo)體二極管等小型簡(jiǎn)單元件進(jìn)展光電轉(zhuǎn)換，極易與一些電子裝備相匹配。此外，光纖不僅是一種敏感元件，還是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線(xiàn)。因此，光纖傳感器還可以用于傳統(tǒng)的傳感器所不適用的遠(yuǎn)距離測(cè)量。自從20世紀(jì)70年代末光纖傳感器誕生以來(lái)，便由于其具有的防火、防爆、精度高、損耗低、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、性?xún)r(jià)比高、復(fù)用性好、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾、頻帶圍寬、動(dòng)態(tài)圍大、易與光纖傳輸系統(tǒng)組成遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。隨著對(duì)其研究的不斷深入，光纖傳感器勢(shì)必會(huì)對(duì)科學(xué)研究、國(guó)民生產(chǎn)、日常生活等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。光纖傳感器原理光纖傳感器主要組成局部是光導(dǎo)纖維，簡(jiǎn)稱(chēng)光纖。光纖是一種透明的玻璃纖維絲，直徑只有1~100微米左右。它是由芯和外套兩層組成，芯的折射率大于外套的折射率，光由一端射入，在芯和外套的界面上進(jìn)過(guò)屢次全反射，從另一端射出。光纖不僅可以作為光波的傳播介質(zhì)，而且光波在光纖中傳播時(shí)表征光波的特征參量〔振幅、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等〕因外界因素〔如溫度、壓力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、位移、轉(zhuǎn)動(dòng)等〕的作用而間接或直接地發(fā)生變化，從而可將光纖用作傳感器元件來(lái)探測(cè)各種物理量。這就是光纖傳感器的根本原理，如圖1所示。圖1光纖傳感器原理示意圖光纖傳感器的特點(diǎn)與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器的主要特點(diǎn)如下：抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕，本質(zhì)平安由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖又是電絕緣、耐腐蝕的傳輸介質(zhì)，因而不怕強(qiáng)電磁干擾，也不影響外界的電磁場(chǎng)，并且平安可靠。這使它在各個(gè)大型機(jī)電、石油、化工、冶金高壓、強(qiáng)電磁干擾、易燃、易爆、強(qiáng)腐蝕環(huán)境中能方便而有效地傳感。靈敏度高利用長(zhǎng)光纖和光波干預(yù)技術(shù)使不少光纖傳感器的靈敏度優(yōu)于一般的傳感器。其中有的已由理論證明，有的已經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)、水聲、加速度、位移、溫度、磁場(chǎng)等物理量的光纖傳感器。重量輕，體積小，外形可變光纖除具有重量輕、體積小的特點(diǎn)外，還有可繞的優(yōu)點(diǎn)，因此利用光纖可制成外形各異、尺寸不同的各種光纖傳感器。這有利于航空、航天以及狹窄空間的應(yīng)用。測(cè)量對(duì)象廣泛目前已有性能不同的測(cè)量溫度、壓力、位移、加速度、液面、流量、振動(dòng)、水聲、電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電壓、雜質(zhì)含量、液體濃度、核輻射等各種物理量、化學(xué)量的光纖傳感器在現(xiàn)場(chǎng)使用。對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小這對(duì)于一些特殊的領(lǐng)域的應(yīng)用極為有利，如生物醫(yī)療領(lǐng)域。便于復(fù)用，便于成網(wǎng)有利于與現(xiàn)有光通信技術(shù)組成遙測(cè)網(wǎng)和光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)。本錢(qián)低幾類(lèi)典型的光纖傳感器光纖傳感器可分為傳感型與傳光型兩大類(lèi)。利用外界因素改變光纖中光的強(qiáng)度〔振幅〕、相位、偏振態(tài)或波長(zhǎng)〔頻率〕，從而對(duì)外界因素進(jìn)展計(jì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，稱(chēng)為傳感型〔或功能型〕光纖傳感器。傳光型光纖傳感器是指利用其他敏感元件測(cè)得的物理量，由光纖經(jīng)行數(shù)據(jù)傳輸。它的特點(diǎn)是充分利用現(xiàn)有的傳感器，便于推廣應(yīng)用。這兩類(lèi)光纖傳感器都可再分為光強(qiáng)調(diào)制、相位調(diào)制、偏振態(tài)調(diào)制、以及波長(zhǎng)調(diào)制等幾種形式。以下將分別介紹這四種類(lèi)型的光纖傳感器。振幅調(diào)制傳感型光纖傳感器利用外界因素引起的光纖中光強(qiáng)的變化來(lái)探測(cè)物理量等各種參量的傳感器稱(chēng)為振幅調(diào)制傳感型光纖傳感器。改變光纖中光強(qiáng)的方法有多種，而改變光纖的微彎狀態(tài)就是其中一種。光纖微彎傳感器就是利用光纖中的微彎損耗來(lái)探測(cè)外界物理量的變化。它是利用多模光纖在受到微彎時(shí)，一局部芯模能量會(huì)轉(zhuǎn)化為包層模能量這一原理，通過(guò)測(cè)量包層模能量或芯模能量的變化來(lái)測(cè)量位移或振動(dòng)等。其原理圖如圖2所示。圖2光纖微彎傳感器原理圖激光束經(jīng)擴(kuò)束、聚焦輸入多模光纖。其中的非導(dǎo)引模由雜模濾除器去掉，然后在變形器作用下產(chǎn)生位移，光纖發(fā)生微彎的程度不同時(shí)，轉(zhuǎn)化為包層模式的能量也隨之改變。變形器由測(cè)微頭調(diào)整至某一恒定變形量；待測(cè)的交變位移由壓電瓷給出。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，該裝置靈敏度達(dá)0.6μV/A〔它強(qiáng)烈依賴(lài)于多模光纖中的導(dǎo)引模式分布，高階模越多，越易轉(zhuǎn)化為包層模，靈敏度也就愈高〕，相當(dāng)于最小可測(cè)試位移為0.01nm，動(dòng)態(tài)圍可望超過(guò)100dB。相位調(diào)制傳感型光纖傳感器利用外界因素引起的光纖中光波相位的變化來(lái)探測(cè)物理量等各種參量的傳感器稱(chēng)為相位調(diào)制傳感型光纖傳感器。該類(lèi)傳感器主要應(yīng)用于制成干預(yù)儀，而光纖Sagnac干預(yù)儀就是其中典型的一種。光纖Sagnac干預(yù)儀的根本原理是在由同一光纖繞成的光纖圈中沿反方向前進(jìn)的兩光波，在外界因素作用下產(chǎn)生不同的相移。然后，通過(guò)干預(yù)效應(yīng)進(jìn)展檢測(cè)。其最典型的應(yīng)用就是轉(zhuǎn)動(dòng)傳感，及光纖陀螺。由于它沒(méi)有活動(dòng)部件，沒(méi)有非線(xiàn)性效應(yīng)和低轉(zhuǎn)速時(shí)激光陀螺的閉鎖區(qū)，因而非常有希望制成高性能低本錢(qián)的器件。圖3是光纖Sagnac干預(yù)儀的原理圖。用一長(zhǎng)為L(zhǎng)的光纖，繞成半徑為R的光纖圈。一激光束由分束鏡分成兩束，分別從光纖兩個(gè)端面輸入，再?gòu)牧硪欢嗣孑敵?。兩輸出光疊加后將產(chǎn)生干預(yù)效應(yīng)，此干預(yù)光強(qiáng)由光電接收器檢測(cè)。圖3光纖Sagnac干預(yù)儀原理圖1為激光器；2為光探測(cè)器；3為光纖圈當(dāng)環(huán)形光路相對(duì)慣性空間有一轉(zhuǎn)動(dòng)QUOTE時(shí)〔設(shè)QUOTE垂直于環(huán)路平面〕，那么對(duì)于順、逆時(shí)針傳播的光，將產(chǎn)生一非互易的光程差式中，A是環(huán)形光路的面積；c為真空中的光速。當(dāng)環(huán)形光路是由N圈單模光纖組成時(shí)，對(duì)應(yīng)順、逆時(shí)針光路之間的相位差為式中QUOTE是真空中的波長(zhǎng)。偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器外界因素使光纖中光波模式的偏振態(tài)發(fā)生變化，對(duì)其進(jìn)展檢測(cè)的光纖傳感器屬于偏振態(tài)調(diào)制型。最典型的例子就是高電壓傳輸線(xiàn)上用的光纖電流傳感器。光纖測(cè)電流的根本原理是利用光纖材料的Faraday效應(yīng)〔熔石英的磁光效應(yīng)〕，即處于磁場(chǎng)中的光纖會(huì)使在光纖傳播的偏振光發(fā)生偏振面的旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度QUOTE與磁場(chǎng)強(qiáng)度H、磁場(chǎng)中光纖的長(zhǎng)度L成正比：式中V是菲爾德〔Verket〕常數(shù)，是光纖的材料系數(shù)。由于載流導(dǎo)線(xiàn)在周?chē)臻g產(chǎn)生的磁場(chǎng)滿(mǎn)足安培環(huán)路定律，對(duì)于長(zhǎng)直導(dǎo)線(xiàn)有，因此只要測(cè)量QUOTE，L，R的值，就可由求出長(zhǎng)直導(dǎo)線(xiàn)中的電流I。式中N是繞在導(dǎo)線(xiàn)上的光纖的總?cè)?shù)。原理圖如圖4所示。圖4光纖電流傳感器原理圖1為激光器；2為起偏器；3為物鏡；4為傳輸光纖；5為傳感光纖；6為電流導(dǎo)線(xiàn)；7為光探測(cè)器；8為偏振棱鏡；9為信號(hào)處理單元從激光器1發(fā)出的激光束經(jīng)過(guò)起偏器2、物鏡3耦合進(jìn)入單模光纖4。6是高壓載流導(dǎo)線(xiàn)，通過(guò)其中的電流為I。5是繞在導(dǎo)線(xiàn)上的光纖，在這一段光纖上產(chǎn)生磁光效應(yīng)，使通過(guò)光纖的偏振光產(chǎn)生一個(gè)角度為QUOTE的偏振面的旋轉(zhuǎn)。岀射光經(jīng)偏振棱鏡8把光束分成振動(dòng)方向相互垂直的兩束偏振光。再通過(guò)光探測(cè)器7變成電信號(hào)，分別送進(jìn)信號(hào)處理單元9經(jīng)行運(yùn)算。最后由計(jì)算器輸出的將是函數(shù)式中QUOTE，QUOTE分別為兩偏振光的強(qiáng)度。再通過(guò)一定的計(jì)算即可得到被測(cè)電流I的值。波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器利用外界因素引起的光纖中光波波長(zhǎng)的變化來(lái)探測(cè)物理量等各種參量的傳感器稱(chēng)為波長(zhǎng)調(diào)制傳感型光纖傳感器。光纖光柵傳感器是一種典型的波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。以光纖布拉格光柵傳感器為例，又光纖光柵的布拉格方程可知，光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)取決于光柵周期QUOTE和反向耦合模的有效折射率QUOTE，任何使這兩個(gè)參量發(fā)生改變的物理過(guò)程都將引起光柵布拉格波長(zhǎng)的漂移。因?yàn)闊o(wú)論是對(duì)光柵進(jìn)展拉伸還是擠壓，都勢(shì)必導(dǎo)致光柵周期QUOTE的變化，并且光纖本身所具有的彈光效應(yīng)使得有效折射率QUOTE也外界應(yīng)力狀態(tài)的變化而改變。同理，環(huán)境溫度的變化也會(huì)引起光纖類(lèi)似的變化。因此采用光纖布拉格光柵制成光纖應(yīng)力應(yīng)變傳感器以及光纖溫度傳感器，就成了光纖光柵在光纖傳感領(lǐng)域中最直接的應(yīng)用。應(yīng)力引起光柵布拉格波長(zhǎng)漂移可以由下式給予描述：式中QUOTE表示光纖本身在應(yīng)力作用下的彈性形變；QUOTE表示光纖的彈光效應(yīng)。外界不同的應(yīng)力狀態(tài)將導(dǎo)致QUOTE和QUOTE的不同變化。一般情況下，由于光纖光柵屬于各向同性柱體構(gòu)造，所以施加于其上的應(yīng)力可在柱坐標(biāo)系下分解為QUOTE，QUOTE和QUOTE三個(gè)方向。只有QUOTE作用的情況稱(chēng)為軸向應(yīng)力作用，QUOTE和QUOTE稱(chēng)為橫向應(yīng)力作用，三者同時(shí)存在為體應(yīng)力作用。于此類(lèi)似，環(huán)境溫度的變化會(huì)引起光柵布拉格波長(zhǎng)漂移，由此可測(cè)量環(huán)境溫度的變化。光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用非常廣泛，幾乎涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的所有重要領(lǐng)域和人們的日常生活，加快了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的建立與開(kāi)展。光纖傳感器在石油領(lǐng)域中的應(yīng)用眾所周知，在石油領(lǐng)域中需要測(cè)量的量很多，其中主要有地表輸油管道的流量測(cè)量以及地下油井流量的測(cè)量，流量是確定石油產(chǎn)業(yè)和傳輸特性極重要的參數(shù)。可石油工業(yè)中被測(cè)量體成分和物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，流動(dòng)狀態(tài)多種多樣，再加上工作現(xiàn)場(chǎng)條件十分惡劣，很難進(jìn)展測(cè)量。光纖流量傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，比其它流量傳感器有明顯優(yōu)勢(shì)，在石油工業(yè)中發(fā)揮極其重要的作用。光纖傳感器在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用光纖聲納陣。聲納是現(xiàn)代反潛戰(zhàn)中的主要探測(cè)手段，利用光纖聲納陣可探測(cè)水下敵方的潛艇。目前，光纖聲納陣已處于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)階段，不久將來(lái)將成為現(xiàn)代反潛戰(zhàn)的重要探測(cè)、定位手段。光纖陀螺儀。光纖陀螺儀可應(yīng)用在各種制導(dǎo)武器中，它在測(cè)量導(dǎo)彈的姿態(tài)、實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)、控制和目標(biāo)跟蹤中占有極其重要地位，它對(duì)提高制導(dǎo)武器的制導(dǎo)精度起著極為重要的作用，甚至可以說(shuō)起著關(guān)鍵性和決定性作用。在上個(gè)世紀(jì)末，光纖陀螺儀已投入部隊(duì)使用。光纖傳感器在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用醫(yī)用傳感器是醫(yī)學(xué)測(cè)量?jī)x器的第一環(huán)節(jié)，是醫(yī)學(xué)儀器與人體直接耦合關(guān)鍵的器件。可以說(shuō)它在從定向醫(yī)學(xué)走向定量醫(yī)學(xué)開(kāi)展過(guò)程中起到了重要作用，特別是光纖傳感器在觀察體器官、傳遞形態(tài)學(xué)檢查圖像中起到重要作用。目前，醫(yī)用光纖傳感器的研究與應(yīng)用正受到廣泛重視，種類(lèi)也日趨繁多，功能和質(zhì)量也不斷完善，從而越來(lái)越顯示出光纖傳感技術(shù)在醫(yī)學(xué)應(yīng)用的廣泛前景。光纖傳感器在土木工程中的應(yīng)用光纖傳感器在土木工程中的應(yīng)用主要表達(dá)在：①監(jiān)控構(gòu)造的應(yīng)用與變形；②對(duì)構(gòu)造開(kāi)裂進(jìn)展檢測(cè)；③對(duì)大體積混凝土測(cè)溫；④組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，遙控監(jiān)測(cè)構(gòu)造性能；⑤構(gòu)造平安預(yù)示報(bào)警。我國(guó)已將光纖傳感材料用于三峽大壩和局部橋梁的安康檢測(cè)和平安評(píng)定等，美國(guó)、日本、加拿大、英國(guó)等國(guó)家的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)也投入了大量精力研究光纖傳感器在混凝土構(gòu)造中的應(yīng)用。光纖傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用對(duì)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)控實(shí)際上是人類(lèi)自我保護(hù)的一種措施，其中對(duì)水和大氣的監(jiān)控尤為重要。對(duì)水質(zhì)進(jìn)展方便、可靠、連續(xù)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控或遙測(cè)，使用光纖傳感器是非常理想的。利用不同的技術(shù)可以制出光纖PH傳感器、光纖離子傳感器、光纖化合物傳感器、光纖濁度傳感器等，可對(duì)水質(zhì)進(jìn)展檢測(cè)。另外，在大氣測(cè)量方面，光纖傳感器可以用來(lái)檢測(cè)氧分壓和二氧化碳分壓；采用單根光纖制成的消失波傳感器可以直接在甲烷3.39微米強(qiáng)吸收帶進(jìn)展吸光——濃度的檢測(cè)，其檢測(cè)限度可達(dá)1%的甲烷濃度，采用紅外光纖其靈敏度與穩(wěn)定性將進(jìn)一步提高。6．完畢語(yǔ)在現(xiàn)代信息社會(huì)中，傳感器技術(shù)開(kāi)展迅猛，其中光纖傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)良的特性被廣泛的應(yīng)用。隨著我國(guó)社會(huì)，經(jīng)濟(jì)和科技的不斷開(kāi)展，光纖傳感器無(wú)論是在工藝、集成度還是特性都會(huì)有廣闊的開(kāi)展前景?？梢灶A(yù)見(jiàn)，光纖傳感器勢(shì)必在未來(lái)的傳感技術(shù)領(lǐng)域中地位越來(lái)越重要。7．參考文獻(xiàn)[1]廖廷彪，黎敏.光纖傳感器技術(shù)與應(yīng)用[M].清華大學(xué)，2009[2]勇.光纖傳感器原理與應(yīng)用技術(shù)[M].清華大學(xué)，20