光纖傳感器論文

..光纖傳感器毛琪132640〔儀器科學與工程學院，東南大學，210096〕摘要：光纖傳感器是現(xiàn)在被廣泛應用的一類新型傳感器，具有抗電磁干擾、靈敏度高、重量輕、本錢低等優(yōu)良的特點。本文詳細介紹了光纖傳感器原理、構(gòu)造和特性等方面的容。同時舉例說明了光纖傳感器在實際工程應用中的廣泛應用。關(guān)鍵詞：光纖傳感器；原理；工程應用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)、計算機技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱，傳感器作為探測與獲取外界信息的重要環(huán)節(jié)之一而被應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)及軍事等各個領(lǐng)域。近20多年來，光纖傳感器的開展那么大有取代傳統(tǒng)傳感器的趨勢。光纖傳感器是光通信和集成光學技術(shù)開展的結(jié)晶，與傳統(tǒng)的傳感器不同，它將被測信號的狀態(tài)以光信號的形式取出。光信號不僅能被人所直接感知，并能通過利用半導體二極管等小型簡單元件進展光電轉(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。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距離測量。自從20世紀70年代末光纖傳感器誕生以來，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、性價比高、復用性好、響應速度快、抗電磁干擾、頻帶圍寬、動態(tài)圍大、易與光纖傳輸系統(tǒng)組成遙測網(wǎng)絡等優(yōu)點而被廣泛地應用于各行各業(yè)。隨著對其研究的不斷深入，光纖傳感器勢必會對科學研究、國民生產(chǎn)、日常生活等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響。光纖傳感器原理光纖傳感器主要組成局部是光導纖維，簡稱光纖。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過屢次全反射，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表征光波的特征參量〔振幅、相位、偏振態(tài)、波長等〕因外界因素〔如溫度、壓力、磁場、電場、位移、轉(zhuǎn)動等〕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探測各種物理量。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與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器的主要特點如下：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)，因而不怕強電磁干擾，也不影響外界的電磁場，并且平安可靠。這使它在各個大型機電、石油、化工、冶金高壓、強電磁干擾、易燃、易爆、強腐蝕環(huán)境中能方便而有效地傳感。靈敏度高利用長光纖和光波干預技術(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)實驗驗證，如測量轉(zhuǎn)動、水聲、加速度、位移、溫度、磁場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、體積小的特點外，還有可繞的優(yōu)點，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用。測量對象廣泛目前已有性能不同的測量溫度、壓力、位移、加速度、液面、流量、振動、水聲、電流、電場、磁場、電壓、雜質(zhì)含量、液體濃度、核輻射等各種物理量、化學量的光纖傳感器在現(xiàn)場使用。對被測介質(zhì)影響小這對于一些特殊的領(lǐng)域的應用極為有利，如生物醫(yī)療領(lǐng)域。便于復用，便于成網(wǎng)有利于與現(xiàn)有光通信技術(shù)組成遙測網(wǎng)和光纖傳感器網(wǎng)絡。本錢低幾類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。利用外界因素改變光纖中光的強度〔振幅〕、相位、偏振態(tài)或波長〔頻率〕，從而對外界因素進展計量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，稱為傳感型〔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得的物理量，由光纖經(jīng)行數(shù)據(jù)傳輸。它的特點是充分利用現(xiàn)有的傳感器，便于推廣應用。這兩類光纖傳感器都可再分為光強調(diào)制、相位調(diào)制、偏振態(tài)調(diào)制、以及波長調(diào)制等幾種形式。以下將分別介紹這四種類型的光纖傳感器。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的變化來探測物理量等各種參量的傳感器稱為振幅調(diào)制傳感型光纖傳感器。改變光纖中光強的方法有多種，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探測外界物理量的變化。它是利用多模光纖在受到微彎時，一局部芯模能量會轉(zhuǎn)化為包層模能量這一原理，通過測量包層模能量或芯模能量的變化來測量位移或振動等。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)擴束、聚焦輸入多模光纖。其中的非導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，轉(zhuǎn)化為包層模式的能量也隨之改變。變形器由測微頭調(diào)整至某一恒定變形量；待測的交變位移由壓電瓷給出。實驗說明，該裝置靈敏度達0.6μV/A〔它強烈依賴于多模光纖中的導引模式分布，高階模越多，越易轉(zhuǎn)化為包層模，靈敏度也就愈高〕，相當于最小可測試位移為0.01nm，動態(tài)圍可望超過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探測物理量等各種參量的傳感器稱為相位調(diào)制傳感型光纖傳感器。該類傳感器主要應用于制成干預儀，而光纖Sagnac干預儀就是其中典型的一種。光纖Sagnac干預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的兩光波，在外界因素作用下產(chǎn)生不同的相移。然后，通過干預效應進展檢測。其最典型的應用就是轉(zhuǎn)動傳感，及光纖陀螺。由于它沒有活動部件，沒有非線性效應和低轉(zhuǎn)速時激光陀螺的閉鎖區(qū)，因而非常有希望制成高性能低本錢的器件。圖3是光纖Sagnac干預儀的原理圖。用一長為L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，分別從光纖兩個端面輸入，再從另一端面輸出。兩輸出光疊加后將產(chǎn)生干預效應，此干預光強由光電接收器檢測。圖3光纖Sagnac干預儀原理圖1為激光器；2為光探測器；3為光纖圈當環(huán)形光路相對慣性空間有一轉(zhuǎn)動QUOTE時〔設QUOTE垂直于環(huán)路平面〕，那么對于順、逆時針傳播的光，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。當環(huán)形光路是由N圈單模光纖組成時，對應順、逆時針光路之間的相位差為式中QUOTE是真空中的波長。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，對其進展檢測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上用的光纖電流傳感器。光纖測電流的根本原理是利用光纖材料的Faraday效應〔熔石英的磁光效應〕，即處于磁場中的光纖會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與磁場強度H、磁場中光纖的長度L成正比：式中V是菲爾德〔Verket〕常數(shù)，是光纖的材料系數(shù)。由于載流導線在周圍空間產(chǎn)生的磁場滿足安培環(huán)路定律，對于長直導線有，因此只要測量QUOTE，L，R的值，就可由求出長直導線中的電流I。式中N是繞在導線上的光纖的總?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為電流導線；7為光探測器；8為偏振棱鏡；9為信號處理單元從激光器1發(fā)出的激光束經(jīng)過起偏器2、物鏡3耦合進入單模光纖4。6是高壓載流導線，通過其中的電流為I。5是繞在導線上的光纖，在這一段光纖上產(chǎn)生磁光效應，使通過光纖的偏振光產(chǎn)生一個角度為QUOTE的偏振面的旋轉(zhuǎn)。岀射光經(jīng)偏振棱鏡8把光束分成振動方向相互垂直的兩束偏振光。再通過光探測器7變成電信號，分別送進信號處理單元9經(jīng)行運算。最后由計算器輸出的將是函數(shù)式中QUOTE，QUOTE分別為兩偏振光的強度。再通過一定的計算即可得到被測電流I的值。波長調(diào)制型光纖傳感器利用外界因素引起的光纖中光波波長的變化來探測物理量等各種參量的傳感器稱為波長調(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，任何使這兩個參量發(fā)生改變的物理過程都將引起光柵布拉格波長的漂移。因為無論是對光柵進展拉伸還是擠壓，都勢必導致光柵周期QUOTE的變化，并且光纖本身所具有的彈光效應使得有效折射率QUOTE也外界應力狀態(tài)的變化而改變。同理，環(huán)境溫度的變化也會引起光纖類似的變化。因此采用光纖布拉格光柵制成光纖應力應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)域中最直接的應用。應力引起光柵布拉格波長漂移可以由下式給予描述：式中QUOTE表示光纖本身在應力作用下的彈性形變；QUOTE表示光纖的彈光效應。外界不同的應力狀態(tài)將導致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力可在柱坐標系下分解為QUOTE，QUOTE和QUOTE三個方向。只有QUOTE作用的情況稱為軸向應力作用，QUOTE和QUOTE稱為橫向應力作用，三者同時存在為體應力作用。于此類似，環(huán)境溫度的變化會引起光柵布拉格波長漂移，由此可測量環(huán)境溫度的變化。光纖傳感器的應用光纖傳感器的應用非常廣泛，幾乎涉及國民經(jīng)濟的所有重要領(lǐng)域和人們的日常生活，加快了經(jīng)濟社會的建立與開展。光纖傳感器在石油領(lǐng)域中的應用眾所周知，在石油領(lǐng)域中需要測量的量很多，其中主要有地表輸油管道的流量測量以及地下油井流量的測量，流量是確定石油產(chǎn)業(yè)和傳輸特性極重要的參數(shù)?？墒凸I(yè)中被測量體成分和物質(zhì)化學性質(zhì)復雜，流動狀態(tài)多種多樣，再加上工作現(xiàn)場條件十分惡劣，很難進展測量。光纖流量傳感器以其獨特的優(yōu)點，比其它流量傳感器有明顯優(yōu)勢，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)域的應用光纖聲納陣。聲納是現(xiàn)代反潛戰(zhàn)中的主要探測手段，利用光纖聲納陣可探測水下敵方的潛艇。目前，光纖聲納陣已處于現(xiàn)場實驗階段，不久將來將成為現(xiàn)代反潛戰(zhàn)的重要探測、定位手段。光纖陀螺儀。光纖陀螺儀可應用在各種制導武器中，它在測量導彈的姿態(tài)、實現(xiàn)制導、控制和目標跟蹤中占有極其重要地位，它對提高制導武器的制導精度起著極為重要的作用，甚至可以說起著關(guān)鍵性和決定性作用。在上個世紀末，光纖陀螺儀已投入部隊使用。光纖傳感器在醫(yī)學中的應用醫(yī)用傳感器是醫(yī)學測量儀器的第一環(huán)節(jié)，是醫(yī)學儀器與人體直接耦合關(guān)鍵的器件?？梢哉f它在從定向醫(yī)學走向定量醫(yī)學開展過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用正受到廣泛重視，種類也日趨繁多，功能和質(zhì)量也不斷完善，從而越來越顯示出光纖傳感技術(shù)在醫(yī)學應用的廣泛前景。光纖傳感器在土木工程中的應用光纖傳感器在土木工程中的應用主要表達在：①監(jiān)控構(gòu)造的應用與變形；②對構(gòu)造開裂進展檢測；③對大體積混凝土測溫；④組成傳感器網(wǎng)絡，遙控監(jiān)測構(gòu)造性能；⑤構(gòu)造平安預示報警。我國已將光纖傳感材料用于三峽大壩和局部橋梁的安康檢測和平安評定等，美國、日本、加拿大、英國等國家的大學、研究機構(gòu)也投入了大量精力研究光纖傳感器在混凝土構(gòu)造中的應用。光纖傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應用對生態(tài)環(huán)境的監(jiān)控實際上是人類自我保護的一種措施，其中對水和大氣的監(jiān)控尤為重要。對水質(zhì)進展方便、可靠、連續(xù)、現(xiàn)場監(jiān)控或遙測，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，可對水質(zhì)進展檢測。另外，在大氣測量方面，光纖傳感器可以用來檢測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微米強吸收帶進展吸光——濃度的檢測，其檢測限度可達1%的甲烷濃度，采用紅外光纖其靈敏度與穩(wěn)定性將進一步提高。6．完畢語在現(xiàn)代信息社會中，傳感器技術(shù)開展迅猛，其中光纖傳感器以其獨特的優(yōu)點和優(yōu)良的特性被廣泛的應用。隨著我國社會，經(jīng)濟和科技的不斷開展，光纖傳感器無論是在工藝、集成度還是特性都會有廣闊的開展前景。可以預見，光纖傳感器勢必在未來的傳感技術(shù)領(lǐng)域中地位越來越重要。7．參考文獻[1]廖廷彪，黎敏.光纖傳感器技術(shù)與應用[M].清華大學，2009[2]勇.光纖傳感器原理與應用技術(shù)[M].清華大學，20