光纤传感技术

光纤传感技术科学技术01技术介绍存在问题技术应用分类传感器的分类目录03020405传感器的特点研究进展应用目录0706基本信息光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。技术介绍技术介绍光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；在一定条件下，光纤特别容易接受被测量或场的加载，是一种优良的敏感元件；光纤本身不带电，体积小，质量轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，几乎在各个领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。光纤传感，包含对外界信号（被测量）的感知和传输两种功能。所谓感知（或敏感），是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度（功率）、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即“感知”外界信号的变化。这种“感知”实质上是外界信号对光纤中传播的光波实时调制。所谓传输，是指光纤将受到外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理，也就是解调。因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术，即外界信号（被测量）如何调制光纤中的光波参量的调制技术（或加载技术）及如何从被调制的光波中提取外界信号（被测量）的解调技术（或检测技术）。外界信号对传感光纤中光波参量进行调制的部位称为调制区。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（FunctionalFiber，简称FF型）或本征型光纤传感器，也成为内调制型传感器，光纤同具“传”和“感”两种功能。于光源耦合的发射光纤同于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全光纤型或传感型光纤传感器。技术应用分类光强度调制型相位调制型偏振调制型波长调制型频率调制型12345技术应用分类光强度调制型光强调制是光纤传感技术中相对比较简单，用得最广泛的一种调制方法。其基本原理是利用外界信号（被测量）的扰动改变光纤中光（宽谱光或特定波长的光）的强度（即调制），再通过测量输出光强的变化（解调）实现对外界信号的测量。相位调制型光相位调制，是指外界信号（被测量）按照一定的规律使光纤中传播的光波相位发生响应的变化，光相位的变化量即反映被测外界量。光纤传感技术中使用的光相位调制大体有三种类型。一类为功能型调制，外界信号通过光纤的力应变效应、热应变效应、弹光效应及热光效应使传感光纤的几何尺寸和折射率等参数发生变化，从而导致光纤中的光相位变化，以实现对光相位的调制。第二类为萨格奈克效应调制，外界信号（旋转）不改变光纤本身的参数，而是通过旋转惯性场中的环形光纤，使其中相向传播的两光束产生相应的光程差，以实现对光相位的调制。第三类为非功能型调制，即在传感光纤之外通过改变进入光纤的光波程差实现对光纤中光相位的调制。偏振调制型偏振调制，是指外界信号（被测量）通过一定的方式使光纤中光波的偏振面发生规律性偏转（旋光）或产生双折射，从而导致光的偏振特性变化，通过检测光偏振态的变化即可测出外界被测量。波长调制型外界信号（被测量）通过选频、滤波等方式改变光纤中传输光的波长，测量波长变化即可检测到被测量，这类调制方式称为光波长调制。目前用于光波长调制的方法主要是光学选频和滤波。传统的光波长调制方法主要有F-P干涉式滤光、里奥特偏振双折射滤光及各种位移式光谱选择等外调制技术。近20多年来，尤其近几年迅速发展起来的光纤光栅滤光技术为功能型光波长调制技术开辟了新的前景。频率调制型光频率调制，是指外界信号（被测量）对光纤中传输的光波频率进行调制，频率偏移即反映被测量。目前使用较多的调制方法为多普勒法，即外界信号通过多普勒效应对接收光纤中的光波频率实施调制，是一种非功能型调制。存在问题存在问题光纤干涉型传感器由于灵敏度高、体积小等优点，受到很大。但是干涉型传感器对被测物理量的变化敏感的同时也对温度漂移、环境振动等干扰也同样敏感。目前用于光相位解调的干涉方法很多，主要有双光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法、环形干涉法等。传感器的分类传感器的分类按光纤在光纤传感器中的作用可分为传感型和传光型两种类型。传感型光纤传感器的光纤不仅起传递光作用，同时又是光电敏感元件。由于外界环境对光纤自身的影响，待测量的物理量通过光纤作用于传感器上，使光波导的属性(光强、相位、偏振态、波长等)被调制。传感器型光纤传感器又分为光强调制型、相位调制型、振态调制型和波长调制型等。传光型光纤传感器是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后,通过在输出端进行光信号处理而进行测量的，这类传感器带有另外的感光元件对待测物理量敏感，光纤仅作为传光元件，必须附加能够对光纤所传递的光进行调制的敏感元件才能组成传感元件。光纤传感器根据其测量范围还可分为点式光纤传感器、积分式光纤传感器、分布式光纤传感器三种。其中，分布式光纤传感器被用来检测大型结构的应变分布，可以快速无损测量结构的位移、内部或表面应力等重要参数。目前用于土木工程中的光纤传感器类型主要有Math-Zender干涉型光纤传感器，Fabry-pero腔式光纤传感器，光纤布喇格光栅传感器等。

传感器的特点传感器的特点⑴高灵敏度，抗电磁干扰。由于光纤传感器检测系统很难受到外界场的干扰，且光信号在传输中不会与电磁波发生作用，也不受任何电噪声的影响，由于这一特征，光纤传感器在电力系统的检测中得到了广泛应用。⑵光纤具有很好的柔性和韧性，所以传感器可以根据现场检测需要做成不同的形状。⑶测量的频带宽、动态响应范围大。⑷可移植性强，可以制成不同的物理量的传感器，包括声场、磁场、压力、温度、加速度、位移、液位、流量、电流、辐射等。⑸可嵌入性强，便于与计算机和光纤系统相连，易于实现系统的遥测和控制。

应用应用光纤传感技术在结构工程检测中的应用钢筋混凝土是目前非常广泛应用的材料，将光纤材料直接埋入混凝土结构内或粘贴在表面，是光纤的主要应用形式，可以检测热应力和固化、挠度、弯曲以及应力和应变等。混凝土在凝固时由于水化作用会在内部产生一个温度梯度，如果其冷却过程不均匀。热应力会使结构产生裂缝，采用光纤传感器埋入混凝土可以监测其内部温度变化，从而控制冷却速度。混凝土构件的长期挠度和弯曲是人们感兴趣的一个力学问题，为此已研制出能测量结构弯曲和挠度的微弯应变光纤传感器，并用一根光纤连接整个结构不同位置上的传感器进行同时监测，每个传感器的位置可用OTDR来识别。光纤传感器还能探测混凝土结构内部损伤。在正常荷载作用下，由于钢筋阻止干化收缩或温度引起的体积变化都会引起裂缝，裂缝的出现和发展可以通过埋入的光纤中光传播的强度变化而测得。光纤传感技术在桥梁检测中的应用桥梁是一个国家的经济命脉，桥梁的建造和维护是一个国家基础设施建设的重要部分。利用光纤传感器测量振动，主要可得到桥梁的振动响应参数如频率、振幅等，其方法是：将信号光纤粘贴于桥梁内部，它随着桥梁的振动而产生振动响应，输出光的相位作周期性的变化，则光电探测器接收到的光强也作周期性的变化。研究进展研究进展光纤光栅传感器光纤光栅传感器是目前国内研究的热点之一。FBG传感器具有灵敏度高，易构成分布式结构，在一根光纤内可实现多点测量。满足“智能结构”对传感器的要求，可对大型构件进行实时安全监测；也可以代替其他类型结构的光纤传感器，用于化学、压力和加速度传感中。但是温度、应力交叉敏感是其实用化的最大限制。目前，随着实用、廉价的波长解调技术进一步发展完善，光纤光栅传感技术已经向成熟阶段接近，部分也已经商用化。但在性能和功能方面需要提高。阵列复用传感系