光纤传感器介绍重点

1、光纤传感器简介介绍了几种常用的光纤传感器，详细分析了波长调制光纤传感器的原理、结构和应用，并结合实验对光纤传感器的位移实验进行了分析。光纤传感器的功能和非功能波长、振幅和相位介绍光纤传感器，英文名称：光纤传感器。在航空科学和技术领域，它被定义为利用光纤的光传输特性将测量的光转换成光特性(强度、相位、偏振状态、频率、波长)变化的传感器；机械工程将其定义为一种传感器，利用光纤技术和光学原理将检测到的测量值转换成可用的输出信号。近年来，传感器朝着灵敏度、精度、适应性、紧凑性和智能化的方向发展。在这个过程中，光纤传感器，传感器家族的新成员，受到青睐。光纤具有许多优异的性能，如抗电磁干扰和原子辐射、直径

2、细、质量软、重量轻；绝缘和非感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀等化学性能。它可以在人们无法到达的地方(如高温地区)或对人有害的地方(如核辐射地区)发挥人的眼睛和耳朵的作用，它还可以超越人们的生理界限，接收人们感官感觉不到的外部信息。1光纤传感器的特性与传统传感器相比，光纤传感器的主要特点如下：(1)抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。由于光纤传感器采用光波传输信息，光纤是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，不怕强电磁干扰，不影响外部电磁场，安全可靠。这使得它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆和腐蚀性环境中都能方便有效地进行感应。(2)高灵敏度。利用长光纤和光波干涉技术，许多光

3、纤传感器的灵敏度都优于普通传感器。其中一些已被理论证明，而另一些已被实验验证，如用于测量物理量如旋转、水声、加速度、位移、温度和磁场的光纤传感器。(3)重量轻、体积小、形状可变。光纤不仅具有重量轻、体积小的特点，而且具有灵活性的优点。因此，可以通过使用光纤来制造具有不同形状和尺寸的各种光纤传感器。这有利于航空、航天和狭窄空间的应用。(4)测量对象广泛。目前，用于测量温度、压力、位移、速度、加速度、液位、流量、振动、水声、电流、电场、磁场、电压、杂质含量、液体浓度、核辐射等各种物理和化学量的光纤传感器具有不同的性能。已经在实地使用。(5)对被测介质影响不大。这对医学和生物学领域的应用非常有益。(

4、6)便于复用和联网。利用现有的光通信技术，有利于形成遥测网络和光纤传感网络。(7)成本低。一些种类的光传感器的成本将大大预测现有的相同类型的传感器。2各种光纤传感器简介光纤传感器一般分为调幅传感型光纤传感器、相位调制传感型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器、光纤荧光温度传感器、分布式光纤传感器、聚合物光纤传感器、光子晶体光纤传感器和光传输型光纤传感器。下面简要介绍这种常用传感器的类型、特点和应用范围。2.1调幅传感型光纤传感器调幅传感光纤传感器是一种利用外界因素引起的光纤光强变化的光纤传感器其特征是通过光纤中的微弯损耗来检测外部物理量的变化。它利用多模光纤轻微弯曲时，部分纤

5、芯模能量转化为包层模能量的原理，通过测量包层模能量或纤芯模能量的变化来测量位移或振动。图2.1是其示意图。激光束被扩展并聚焦成多模光纤。非导向模式被混合模式过滤器移除，然后被变形器置换。当光纤微弯的程度不同时，转换成包层模式的能量也发生变化。通过测微头将变形器调整到一定的恒定变形；待测的交变位移由压电陶瓷变换给出。图2.1光纤微弯传感器示意图应用：由于光纤微弯传感器技术简单，光纤和元件容易获得，基于这一原理的光纤报警器已在我国研制成功。它的基本结构是光纤弯曲并编织在地毯上。当人们站在地毯上时，由于光纤的光强变化，光纤的弯曲状态加剧，从而产生报警信号。2.1.2光纤抑制内反射传感器特点：光纤传感

6、器也可以利用光波在高折射率介质中被抑制的全反射来构造。因为当两根光纤的端面彼此非常接近时，大部分光能可以从一根光纤耦合到另一根光纤。当一根光纤保持固定而另一根光纤随着外界因素移动时，耦合效率将随着两根光纤端面之间距离的变化而变化。通过测量光强的这种变化，可以计算光纤端面的位移。这种传感器最大的缺点是需要精密的机械调节和固定装置，不利于现场使用。应用：这种结构的光纤传感器的优点是不需要任何机械调节装置，从而增加了传感头的稳定性。具有类似结构的光纤传感器已经被开发用于许多目的，例如光纤浓度传感器、光纤气/液两相流传感器、光纤温度传感器等。2.1.3光纤辐射传感器特点：x光、射线等辐射。会增加光纤材

7、料的吸收损耗，从而降低光纤的输出功率。利用这一特性，可以使用光纤辐射传感器，它具有高亮度、宽线性范围、柔性结构、坚固可靠和“记忆”的特性。不同的纤维成分对不同的辐射敏感。用途：不仅可制成小型仪器，还可用于核电站、放射性物质堆放场所等的大规模监测。2.2相位调制传感型光纤传感器相位调制传感光纤传感器是一种利用外部因素引起的光波在光纤中的相位变化来检测各种物理量的传感器。这种光纤传感器的主要特点如下：(1)高灵敏度。(2)灵活多样。(3)各种各样的物体。不管是什么物理量，只要影响干涉仪的光路，它都可以用于传感。目前，已经开发了各种类型的光纤干涉仪来测量压力(包括水下声音)、旋转、温度、加速度、电流

8、、磁场、液体成分和其他物理量。此外，同一个干涉仪通常可以检测各种物理量。(4)对光纤有特殊需求。在光纤干涉仪中，为了获得干涉效应，应叠加同一个模式的光，为此应使用单模光纤。根据传统光学干涉仪的原理，研制了光纤马赫-曾德尔干涉仪、光纤萨格纳干涉仪、光纤法布里-珀罗干涉仪和光纤环形腔干涉仪，并用于光纤传感。典型的相位调制传感光纤传感器包括光纤法布里-珀罗传感器和白光干涉光纤传感器。2.2.1光纤法布里-珀罗传感器根据光纤法布里-珀罗传感器的结构，光纤法布里-珀罗传感器主要分为三种类型：内型、外型光纤法本征光纤法珀传感器是最早的光纤法珀传感器之一。在这种方法中，光纤被切割成三段，两端的端面涂有高反射

9、膜，然后光纤的中间段被焊接。此时，中间部分的长度L是法布里-珀罗腔的腔长L，这显然是本征光纤法布里-珀罗传感器。因为光纤法布里-珀罗传感器的腔长L通常在几十微米的数量级，所以很难加工中间部分。2)非本征光纤法珀传感器非本征光纤法布里-珀罗传感器是目前应用最广泛的光纤法布里-珀罗传感器。它由两个端面涂覆的单模光纤组成，这两个光纤严格平行且同轴，并密封在长度为d、内径为d的特殊管道中。它具有以下优点：(1)腔体长度易于控制在光纤法布里-珀罗腔的装配过程中，通过特殊的微调机构，可以很容易地调节和精确地控制腔长L。(2)可调灵敏度因为光纤F-P腔的长度是D1，而D是传感器的实际敏感长度，所以可以通过改

10、变D的长度来控制传感器的灵敏度.(3) F-P腔是l的单值函数法布里-珀罗腔由空气隙组成，其折射率约为1，因此可以近似认为F-P腔是L的单参数函数.由于：光纤薄且易碎，裸光纤法布里-珀罗腔在实际工程中很少使用，但通常根据实际应用对象的特点附加一定的保护结构，从而形成用于特殊对象的光纤法布里-珀罗传感器，如应力/应变传感器、压力传感器、温度传感器、振动传感器等。目前，光纤法布里-珀罗传感器最具象征意义的应用对象是大型部件的安全检测。2.2.2白光干涉型光纤传感器其特征在于它由两个光纤干涉仪组成，其中一个作为传感头放置在被测点，同时作为第二个干涉仪的传感臂；第二干涉仪的另一个臂用作参考臂，放置在远

11、离现场的控制室中以提供相位补偿。应用：目前白光干涉光纤传感器需要解决的两个主要问题是低相干光源的获取和零级干涉条纹的检测。理论分析表明，为了准确确定零级干涉条纹的位置，一方面要尽可能减小光源的相干长度，另一方面要选择合适的测试仪器和方法来提高确定零级干涉条纹中心位置的精度。随着光纤白光干涉传感技术的不断发展，该技术越来越完善，应用也越来越多。目前，低相干度的光纤结构传感器已经发展起来，应用于工业和建筑业，并获得了几个微应变的分辨率，其测量范围超过几千个微应变。2.3偏振调制型光纤传感器光纤中光波模式的偏振态因外界因素而变化。用于检测它的光纤传感器属于偏振调制型，最典型的例子是用于高压输电线路的

12、光纤电流传感器。光纤电流测量的基本原理是利用光纤材料的法拉第效应(融合应时的磁光效应)，即光纤在磁场中会旋转光纤中传播的偏振光的偏振面，其旋转角度n与磁场强度h和光纤在磁场中的长度l成正比：其中v是光纤的韦克特常数和材料常数。因为载流导线在周围空间产生的磁场满足安培环路定律，所以它存在于长导线和直导线中，所以只要测量到N、L和R的值，就可以由下式确定计算长直导线中的电流I，其中n是缠绕在导线上的光纤的总匝数。图2.2光纤电流传感器示意图具体实验装置的原理如图2.2所示。从发出的激光束用途：不仅可用于电力系统的电流测量，也可与电机制造商和测量仪器厂联合使用。还可开发一系列电力系统测量/诊断装置，

13、如线路事故点校准装置和事故间隔判断装置。随着光电技术及相关技术的快速发展，光纤电流传感器在电力系统中的应用前景将越来越广阔。2.4波长调制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。基于光纤光栅传感器的传感过程是通过外部参数调制布拉格中心波长来获得传感信息，即波长调制光纤传感器。在一般的实际应用中，根据光纤光栅周期的长短，分为两类：短周期光纤光栅和长周期光纤光栅。周期小于1um的光纤光栅称为短周期光纤光栅，也称为光纤布拉格光栅或反射光栅(FBG)。周期为几十到几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅(10纳米周期光栅)。液化石油气)，也称为透射光栅。短周期光纤光栅的特点是两个传输方向

14、相反的纤芯模式之间的耦合，属于反射带通滤波器。长周期光纤光栅的特点是同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合，并且没有后向反射，属于传输带阻滤波器。应用：(一)光纤布拉格光栅在光纤传感器领域的应用：在测量中，可以进行单参数测量、双参数测量和分布式多点测量。此外，它还广泛应用于土木工程、航空航天和造船、石油化工、电力工业、医药和核工业。(2)长周期光纤光栅在传感器领域应用：在光纤传感领域，长周期光纤光栅比光纤布拉格光栅传感器件具有更多的优势和更广泛的应用。长周期光纤光栅具有体积小、嵌入工程材料等优点，可以实现对工程结构的实时监测。2.5光纤荧光温度传感器光纤荧光温度传感的原理是利用荧光材料的温度特性

15、(荧光寿命和荧光强度比)来测量温度。荧光寿命测温和荧光强度比测温的共同优点是测温结果对激发光源光强的波动不敏感，测温系统经济耐用。荧光是物质受到外部电磁波(紫外线、可见光或红外光)激发时发出的光辐射。荧光材料的激发光谱由材料的吸收光谱决定，这是材料的固有特性。正常情况下，吸收光谱的光子能量大于荧光光谱的光子能量，相应的波长小于荧光波长。如果将光纤的优点与某些传感材料的荧光温度特性结合起来，就可以构成光纤荧光温度传感器。应用：光纤荧光温度传感器在工业中的应用包括：在高温炉中的应用、在高温耐火中的应用、在食品中的应用以及在微波环境检测城镇中的应用。2.6分布式光纤传感器分布式光纤传感器可以连续感知

16、被测物体的温度、压力、应力和应变等。)沿着光纤的长度，利用光波在光纤中传输的特性。此时，光纤既是传感介质又是待测传输介质。传感光纤的长度可以从一公里达到数百公里。除了普通光纤传感器的优点外，分布式光纤传感器还具有以下无可比拟的优点。(1)空间范围大(2)结构简单，使用方便传感和光传输是同一根光纤(有时只有普通的通信光纤)。传感部分结构简单，使用时只需将该传感光纤铺设在被测部位即可。(3)低成本性能因为分布式光纤传感器分类：分布式光纤传感器系统可以以不同的方式进行分类。根据传感原理，分布式光纤传感器系统可分为散射型、干涉型(相位型)、偏振型、微弯型和荧光型。它可分为分布式光纤温度传感器系统、分布式光纤压力传感器系统、分布式光纤应力/应变传感器系统等。应用：目前，分布式光纤传感器主要用于测量大空间的温度分布和压力或应力/应变分布。例如，测量传输电缆的温度分布可用于火灾报警；测量大型部件的应力/应变分布，以检测其上的裂纹，可用于大型部件的健康诊断；通过测量应力/应变分布和山脉变化，可以预测滑坡等自然灾害；此外，大坝渗漏可以通过测量大坝温度分布来检测。通过测量输油管道的温度分布，可以检测输油管道的泄漏。分布式光纤传感器可以在大空间进行测