光纤传感器论文

..光纤传感器毛琪132640〔仪器科学与工程学院，东南大学，210096〕摘要：光纤传感器是现在被广泛应用的一类新型传感器，具有抗电磁干扰、灵敏度高、重量轻、本钱低等优良的特点。本文详细介绍了光纤传感器原理、构造和特性等方面的容。同时举例说明了光纤传感器在实际工程应用中的广泛应用。关键词：光纤传感器；原理；工程应用FiberopticsensorMaoQi132640(SchoolofInstrumentScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096)Abstract：Fiberopticsensorisanewtypeofsensorwithexcellentfeaturesofanti-electromagneticinterference,highsensitivity,lightweightandlow-cost,whichisnowwidelyused.Thepaperdetailedlyintroducestheprinciples,structuresandcharacteristicsoffiberopticsensors.Atthesametime,someexamplesareprovidedtoillustratethatfiberopticsensorsareextensiveusedinpracticalengineeringapplications.Keywords:fiberopticsensor(FOS);principle;engineeringapplication..引言传感器技术、通信技术、计算机技术是现代信息技术的三大支柱，传感器作为探测与获取外界信息的重要环节之一而被应用于工业、农业及军事等各个领域。近20多年来，光纤传感器的开展那么大有取代传统传感器的趋势。光纤传感器是光通信和集成光学技术开展的结晶，与传统的传感器不同，它将被测信号的状态以光信号的形式取出。光信号不仅能被人所直接感知，并能通过利用半导体二极管等小型简单元件进展光电转换，极易与一些电子装备相匹配。此外，光纤不仅是一种敏感元件，还是一种优良的低损耗传输线。因此，光纤传感器还可以用于传统的传感器所不适用的远距离测量。自从20世纪70年代末光纤传感器诞生以来，便由于其具有的防火、防爆、精度高、损耗低、体积小、重量轻、寿命长、性价比高、复用性好、响应速度快、抗电磁干扰、频带围宽、动态围大、易与光纤传输系统组成遥测网络等优点而被广泛地应用于各行各业。随着对其研究的不断深入，光纤传感器势必会对科学研究、国民生产、日常生活等诸多领域产生深远影响。光纤传感器原理光纤传感器主要组成局部是光导纤维，简称光纤。光纤是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有1~100微米左右。它是由芯和外套两层组成，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进过屡次全反射，从另一端射出。光纤不仅可以作为光波的传播介质，而且光波在光纤中传播时表征光波的特征参量〔振幅、相位、偏振态、波长等〕因外界因素〔如温度、压力、磁场、电场、位移、转动等〕的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感器元件来探测各种物理量。这就是光纤传感器的根本原理，如图1所示。图1光纤传感器原理示意图光纤传感器的特点与传统的传感器相比，光纤传感器的主要特点如下：抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质平安由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且平安可靠。这使它在各个大型机电、石油、化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感。灵敏度高利用长光纤和光波干预技术使不少光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。其中有的已由理论证明，有的已经实验验证，如测量转动、水声、加速度、位移、温度、磁场等物理量的光纤传感器。重量轻，体积小，外形可变光纤除具有重量轻、体积小的特点外，还有可绕的优点，因此利用光纤可制成外形各异、尺寸不同的各种光纤传感器。这有利于航空、航天以及狭窄空间的应用。测量对象广泛目前已有性能不同的测量温度、压力、位移、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、电场、磁场、电压、杂质含量、液体浓度、核辐射等各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。对被测介质影响小这对于一些特殊的领域的应用极为有利，如生物医疗领域。便于复用，便于成网有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感器网络。本钱低几类典型的光纤传感器光纤传感器可分为传感型与传光型两大类。利用外界因素改变光纤中光的强度〔振幅〕、相位、偏振态或波长〔频率〕，从而对外界因素进展计量和数据传输的，称为传感型〔或功能型〕光纤传感器。传光型光纤传感器是指利用其他敏感元件测得的物理量，由光纤经行数据传输。它的特点是充分利用现有的传感器，便于推广应用。这两类光纤传感器都可再分为光强调制、相位调制、偏振态调制、以及波长调制等几种形式。以下将分别介绍这四种类型的光纤传感器。振幅调制传感型光纤传感器利用外界因素引起的光纤中光强的变化来探测物理量等各种参量的传感器称为振幅调制传感型光纤传感器。改变光纤中光强的方法有多种，而改变光纤的微弯状态就是其中一种。光纤微弯传感器就是利用光纤中的微弯损耗来探测外界物理量的变化。它是利用多模光纤在受到微弯时，一局部芯模能量会转化为包层模能量这一原理，通过测量包层模能量或芯模能量的变化来测量位移或振动等。其原理图如图2所示。图2光纤微弯传感器原理图激光束经扩束、聚焦输入多模光纤。其中的非导引模由杂模滤除器去掉，然后在变形器作用下产生位移，光纤发生微弯的程度不同时，转化为包层模式的能量也随之改变。变形器由测微头调整至某一恒定变形量；待测的交变位移由压电瓷给出。实验说明，该装置灵敏度达0.6µV/A〔它强烈依赖于多模光纤中的导引模式分布，高阶模越多，越易转化为包层模，灵敏度也就愈高〕，相当于最小可测试位移为0.01nm，动态围可望超过100dB。相位调制传感型光纤传感器利用外界因素引起的光纤中光波相位的变化来探测物理量等各种参量的传感器称为相位调制传感型光纤传感器。该类传感器主要应用于制成干预仪，而光纤Sagnac干预仪就是其中典型的一种。光纤Sagnac干预仪的根本原理是在由同一光纤绕成的光纤圈中沿反方向前进的两光波，在外界因素作用下产生不同的相移。然后，通过干预效应进展检测。其最典型的应用就是转动传感，及光纤陀螺。由于它没有活动部件，没有非线性效应和低转速时激光陀螺的闭锁区，因而非常有希望制成高性能低本钱的器件。图3是光纤Sagnac干预仪的原理图。用一长为L的光纤，绕成半径为R的光纤圈。一激光束由分束镜分成两束，分别从光纤两个端面输入，再从另一端面输出。两输出光叠加后将产生干预效应，此干预光强由光电接收器检测。图3光纤Sagnac干预仪原理图1为激光器；2为光探测器；3为光纤圈当环形光路相对惯性空间有一转动QUOTE时〔设QUOTE垂直于环路平面〕，那么对于顺、逆时针传播的光，将产生一非互易的光程差式中，A是环形光路的面积；c为真空中的光速。当环形光路是由N圈单模光纤组成时，对应顺、逆时针光路之间的相位差为式中QUOTE是真空中的波长。偏振态调制型光纤传感器外界因素使光纤中光波模式的偏振态发生变化，对其进展检测的光纤传感器属于偏振态调制型。最典型的例子就是高电压传输线上用的光纤电流传感器。光纤测电流的根本原理是利用光纤材料的Faraday效应〔熔石英的磁光效应〕，即处于磁场中的光纤会使在光纤传播的偏振光发生偏振面的旋转，其旋转角度QUOTE与磁场强度H、磁场中光纤的长度L成正比：式中V是菲尔德〔Verket〕常数，是光纤的材料系数。由于载流导线在周围空间产生的磁场满足安培环路定律，对于长直导线有，因此只要测量QUOTE，L，R的值，就可由求出长直导线中的电流I。式中N是绕在导线上的光纤的总圈数。原理图如图4所示。图4光纤电流传感器原理图1为激光器；2为起偏器；3为物镜；4为传输光纤；5为传感光纤；6为电流导线；7为光探测器；8为偏振棱镜；9为信号处理单元从激光器1发出的激光束经过起偏器2、物镜3耦合进入单模光纤4。6是高压载流导线，通过其中的电流为I。5是绕在导线上的光纤，在这一段光纤上产生磁光效应，使通过光纤的偏振光产生一个角度为QUOTE的偏振面的旋转。岀射光经偏振棱镜8把光束分成振动方向相互垂直的两束偏振光。再通过光探测器7变成电信号，分别送进信号处理单元9经行运算。最后由计算器输出的将是函数式中QUOTE，QUOTE分别为两偏振光的强度。再通过一定的计算即可得到被测电流I的值。波长调制型光纤传感器利用外界因素引起的光纤中光波波长的变化来探测物理量等各种参量的传感器称为波长调制传感型光纤传感器。光纤光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器。以光纤布拉格光栅传感器为例，又光纤光栅的布拉格方程可知，光纤光栅的布拉格波长取决于光栅周期QUOTE和反向耦合模的有效折射率QUOTE，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅布拉格波长的漂移。因为无论是对光栅进展拉伸还是挤压，都势必导致光栅周期QUOTE的变化，并且光纤本身所具有的弹光效应使得有效折射率QUOTE也外界应力状态的变化而改变。同理，环境温度的变化也会引起光纤类似的变化。因此采用光纤布拉格光栅制成光纤应力应变传感器以及光纤温度传感器，就成了光纤光栅在光纤传感领域中最直接的应用。应力引起光栅布拉格波长漂移可以由下式给予描述：式中QUOTE表示光纤本身在应力作用下的弹性形变；QUOTE表示光纤的弹光效应。外界不同的应力状态将导致QUOTE和QUOTE的不同变化。一般情况下，由于光纤光栅属于各向同性柱体构造，所以施加于其上的应力可在柱坐标系下分解为QUOTE，QUOTE和QUOTE三个方向。只有QUOTE作用的情况称为轴向应力作用，QUOTE和QUOTE称为横向应力作用，三者同时存在为体应力作用。于此类似，环境温度的变化会引起光栅布拉格波长漂移，由此可测量环境温度的变化。光纤传感器的应用光纤传感器的应用非常广泛，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，加快了经济社会的建立与开展。光纤传感器在石油领域中的应用众所周知，在石油领域中需要测量的量很多，其中主要有地表输油管道的流量测量以及地下油井流量的测量，流量是确定石油产业和传输特性极重要的参数。可石油工业中被测量体成分和物质化学性质复杂，流动状态多种多样，再加上工作现场条件十分恶劣，很难进展测量。光纤流量传感器以其独特的优点，比其它流量传感器有明显优势，在石油工业中发挥极其重要的作用。光纤传感器在军事领域的应用光纤声纳阵。声纳是现代反潜战中的主要探测手段，利用光纤声纳阵可探测水下敌方的潜艇。目前，光纤声纳阵已处于现场实验阶段，不久将来将成为现代反潜战的重要探测、定位手段。光纤陀螺仪。光纤陀螺仪可应用在各种制导武器中，它在测量导弹的姿态、实现制导、控制和目标跟踪中占有极其重要地位，它对提高制导武器的制导精度起着极为重要的作用，甚至可以说起着关键性和决定性作用。在上个世纪末，光纤陀螺仪已投入部队使用。光纤传感器在医学中的应用医用传感器是医学测量仪器的第一环节，是医学仪器与人体直接耦合关键的器件。可以说它在从定向医学走向定量医学开展过程中起到了重要作用，特别是光纤传感器在观察体器官、传递形态学检查图像中起到重要作用。目前，医用光纤传感器的研究与应用正受到广泛重视，种类也日趋繁多，功能和质量也不断完善，从而越来越显示出光纤传感技术在医学应用的广泛前景。光纤传感器在土木工程中的应用光纤传感器在土木工程中的应用主要表达在：①监控构造的应用与变形；②对构造开裂进展检测；③对大体积混凝土测温；④组成传感器网络，遥控监测构造性能；⑤构造平安预示报警。我国已将光纤传感材料用于三峡大坝和局部桥梁的安康检测和平安评定等，美国、日本、加拿大、英国等国家的大学、研究机构也投入了大量精力研究光纤传感器在混凝土构造中的应用。光纤传感器在环境监测中的应用对生态环境的监控实际上是人类自我保护的一种措施，其中对水和大气的监控尤为重要。对水质进展方便、可靠、连续、现场监控或遥测，使用光纤传感器是非常理想的。利用不同的技术可以制出光纤PH传感器、光纤离子传感器、光纤化合物传感器、光纤浊度传感器等，可对水质进展检测。另外，在大气测量方面，光纤传感器可以用来检测氧分压和二氧化碳分压；采用单根光纤制成的消失波传感器可以直接在甲烷3.39微米强吸收带进展吸光——浓度的检测，其检测限度可达1%的甲烷浓度，采用红外光纤其灵敏度与稳定性将进一步提高。6．完毕语在现代信息社会中，传感器技术开展迅猛，其中光纤传感器以其独特的优点和优良的特性被广泛的应用。随着我国社会，经济和科技的不断开展，光纤传感器无论是在工艺、集成度还是特性都会有广阔的开展前景。可以预见，光纤传感器势必在未来的传感技术领域中地位越来越重要。7．参考文献[1]廖廷彪，黎敏.光纤传感器技术与应用[M].清华大学，2009[2]勇.光纤传感器原理与应用技术[M].清华大学，20