光纖傳感器的應(yīng)用

 

光纖傳感器具有抗電磁干擾、耐事故能力強(qiáng)、小型化、精度高等優(yōu)點(diǎn)。為促進(jìn)光纖傳感器在更多行業(yè)的應(yīng)用，對光纖傳感器的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。介紹了光纖傳感器的基本組成和原理，概括了光纖傳感器分類特征。按光纖在傳感器中的作用，可分為功能型( 全光纖型) 光纖傳感器、傳光型光纖傳感器和拾光型光纖傳感器。按光波調(diào)制方式，可分為強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器、頻率調(diào)制型光纖傳感器、波長調(diào)制型光纖傳感器、相位調(diào)制型光纖傳感器以及偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器。按傳感器目標(biāo)分布方式，可分為點(diǎn)式光纖傳感器、準(zhǔn)分布式光纖傳感器和分布式光纖傳感器。光纖傳感器在溫度、位移和氣體測量方面的應(yīng)用很廣，未來光纖傳感器的發(fā)展趨示有著強(qiáng)大的發(fā)展方向。

傳感器在人們?nèi)粘Ｉ钪幸呀?jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，隨著新一代傳輸媒介光纖的問世，傳感器得到進(jìn)一步的發(fā)展，出現(xiàn)了光纖傳感器。光纖傳感器的迅速發(fā)展始于 1977 年，至今光纖傳感器的發(fā)展已日趨成熟。這一新技術(shù)的影響目前已十分明顯，是人類信息化進(jìn)程的重要標(biāo)志之一。光纖是一種優(yōu)良的敏感元件，適用于遠(yuǎn)程傳輸，監(jiān)控范圍廣; 其次，光纖體積小，質(zhì)輕，光信號傳輸能抗電磁干擾和抗輻射，適用于惡劣環(huán)境中監(jiān)測，如易燃、易爆及電磁干擾。因此，光纖傳感器已在各個(gè)領(lǐng)域得到研究與應(yīng)用，成為傳感器行業(yè)的先導(dǎo)。

本文主要介紹光纖傳感器的基本組成和原理，并詳細(xì)光纖傳感器按照不同分類方式的分類以及光纖傳感器在溫度、位移和氣體等方面的應(yīng)用，最后對光纖傳感器未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 光纖傳感器的原理

光纖傳感器用于將被測量的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號，其基本結(jié)構(gòu)由光源、敏感元件、光纖和光檢測器及信號處理系統(tǒng)組成。光纖傳感器具有信息調(diào)制和解調(diào)功能。被測量對光纖傳感器中光波參量進(jìn)行調(diào)制的部位稱為調(diào)制區(qū)，光檢測器及信號處理部分稱為解調(diào)區(qū)。當(dāng)光源所發(fā)出的光耦合進(jìn)光纖，經(jīng)光纖進(jìn)入調(diào)制區(qū)后，在調(diào)制區(qū)內(nèi)受被測量影響，其光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變( 如光的強(qiáng)度、頻率、波長、相位、偏振態(tài)等發(fā)生改變) ，成為被調(diào)制的信號光。經(jīng)過光纖傳輸?shù)焦鈾z測器，光檢測器接收進(jìn)來的光信號并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，輸出電信號。最后，信號處理系統(tǒng)對電信號進(jìn)行處理得出被測量的相關(guān)參數(shù)，也就是解調(diào)。

光纖傳感器的分類

按光纖在傳感器中的作用分類

根據(jù)光纖在傳感器中的作用，光纖傳感器可以分為功能型光纖傳感器、傳光型光纖傳感器和拾光型光纖傳感器。

①功能型光纖傳感器。

功能型光纖傳感器亦稱作全光纖型光纖傳感器，光源耦合的發(fā)射光纖和光探測器耦合的接收光纖是一根連續(xù)光纖，具有“傳”和“感”兩種功能，被測參量通過直接改變光纖的某些傳輸特征參量對光波實(shí)施調(diào)制。此類傳感器結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高，但是需要用到特殊的光纖及先進(jìn)的傳感技術(shù)，比如光纖陀螺儀、光纖水聽器等。

②傳光型光纖傳感器。

傳光型光纖傳感器的光纖僅僅起到傳導(dǎo)光波的作用，其調(diào)制區(qū)在光纖之外，發(fā)射光纖與接收光纖不具有連續(xù)性，其原理為光照射在外加的調(diào)制裝置( 敏感元件) 上受被測參量調(diào)制。這類傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、容易實(shí)現(xiàn)，但靈敏度要低于功能型光纖傳感器。目前已商用化的光纖傳感器大多屬于傳光型光纖傳感器。

③拾光型光纖傳感器。

拾光型光纖傳感器利用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或者被其反射、散射的光并傳輸?shù)焦鈾z測器，經(jīng)過信號處理得出被測參量。光纖激光多普勒測速儀就是典型的拾光型光纖傳感器。它所能夠測量的流體的濁度比以往所測流體都要高至少 5 倍，實(shí)現(xiàn)了不透明流體局部速度的測量。此外，多普勒測速儀還被應(yīng)用于列車的速度測量等。反射式光纖溫度傳感器亦是拾光型光纖傳感器的代表之一。

按光波調(diào)制方式分類

根據(jù)被外界信號調(diào)制的光波物理特征參量的變化情況，光纖傳感器可分為強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器、相位調(diào)制型光纖傳感器、頻率調(diào)制型光纖傳感器、波長調(diào)制型光纖傳感器以及偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器等 5 種。

①強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。

強(qiáng)度調(diào)制是光纖傳感中相對簡單且使用廣泛的調(diào)制方法。其基本原理為: 被測參量對光纖中傳輸光進(jìn)行調(diào)制使光強(qiáng)發(fā)生改變，然后通過檢測光強(qiáng)的變化( 即解調(diào)) 實(shí)現(xiàn)對待測參量的測量。強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器大多基于反射式強(qiáng)度調(diào)制。這類傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低、容易實(shí)現(xiàn)，但容易受光源強(qiáng)度波動(dòng)的影響。強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器開發(fā)應(yīng)用較 早，近年來的研究也在不斷突破創(chuàng)新。

②頻率調(diào)制型光纖傳感器。

光頻率調(diào)制，是指被測參量對光纖中傳輸光的頻率進(jìn)行調(diào)制，通過頻率偏移來檢測出被測參量。目前，頻率調(diào)制型光纖傳感器大多用于測量位移和速度。

③波長調(diào)制型光纖傳感器。

被測量的信號通過選頻、濾波等方式來改變傳輸光的波長，這類調(diào)制方式稱為光波長調(diào)制。傳統(tǒng)的光波長調(diào)制光纖傳感器有基于游標(biāo)效應(yīng)的級聯(lián)光纖干涉儀溫度傳感器。雖然該傳感器的測溫范圍小，但其巨大的靈敏度使其能夠滿足某些特殊要求，如一些需要精確溫度控制的科學(xué)儀器。光源和頻譜分析器的性能極大影響了光纖波長探測技術(shù)。近年來迅速發(fā)展起來的光纖光柵傳感器，則拓展了功能型光波長調(diào)制傳感器的應(yīng)用范圍。

④相位調(diào)制型光纖傳感器。

相位調(diào)制型光纖傳感器的基本原理是: 在被測參量對敏感元件的作用下，敏感元件的折射率或者傳播常數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致傳輸光的相位發(fā)生改變，再用干涉儀檢測這種相位變化得出被測參量。此類感器具有高靈敏度、快響應(yīng)、動(dòng)態(tài)測量范圍大等優(yōu)點(diǎn)，但是對光源和檢測系統(tǒng)的精密度要求高。

⑤偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器。

偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器不受光源強(qiáng)度影響、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高。利用法拉第效應(yīng)的電流傳感器是其主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。

按目標(biāo)分布情況分類

根據(jù)檢測目標(biāo)的分布情況，傳感器可分為點(diǎn)式光纖傳感器、準(zhǔn)分布式光纖傳感器和分布式光纖傳感器。

①點(diǎn)式光纖傳感器。

點(diǎn)式光纖傳感器只能對某一點(diǎn)上的物理量進(jìn)行感應(yīng)，光纖上僅連接一個(gè)尺寸極小的敏感元件，一般為傳光型光纖傳感器。這類傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)明顯，檢測性能較高，卻無法對待測物體進(jìn)行多點(diǎn)分布檢測。

②準(zhǔn)分布式光纖傳感器。

準(zhǔn)分布式光纖傳感器可對待目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行多點(diǎn)檢測，光纖上連接多個(gè)點(diǎn)式光纖傳感器。典型的準(zhǔn)分布式光纖傳感器應(yīng)用案例有光纖水聽器列陣［24］和光纖光柵陣列傳感器。

準(zhǔn)分布式光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)是能夠進(jìn)行同時(shí)多點(diǎn)傳感，是光纖傳感的一個(gè)重要發(fā)展趨勢。然而，目前的準(zhǔn)分布式光纖傳感器能夠同時(shí)傳感的點(diǎn)位數(shù)量是有限的。

③分布式光纖傳感器。

分布式光纖傳感器整根光纖都屬于敏感元件，光纖既是傳感器，又是傳輸信號的介質(zhì)，適用于檢測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布。例如應(yīng)用于土木工程中的大型結(jié)構(gòu)，可以快速、無損地測量結(jié)構(gòu)的位 移、內(nèi) 部 或 表 面 應(yīng)力等重要參數(shù)。根據(jù)沿著光纖的光波參量分布，同時(shí)獲取傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時(shí)間和空間變化的待測量分布信息，可實(shí)現(xiàn)大范圍、長距離、長時(shí)間的連續(xù)傳感。

目前主要的分布式光纖傳感器類型主要有干涉型光纖傳感器、光纖布拉格光柵傳感器等。工程應(yīng)用中，分布式光纖傳感技術(shù)可以連續(xù)不間斷地動(dòng)態(tài)監(jiān)測目標(biāo)物的受力變化情況，監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確度高、抗干擾能力強(qiáng)。

光纖傳感器的應(yīng)用

光纖傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)的傳感物理量十分廣泛，能夠?qū)υS多種外界參量進(jìn)行測量。其中，對溫度、位移以及氣體方面的測量應(yīng)用尤為突出，被廣泛用于各行各業(yè)，有著十分廣闊的市場和前景。

光纖溫度傳感器

光纖位移傳感器。

光纖氣體傳感器。

近二十年來隨著技術(shù)設(shè)施的發(fā)展，以光纖本身固有特性為基礎(chǔ)的光纖傳感器得到了廣泛的應(yīng)用。光纖傳感器必將進(jìn)一步發(fā)展，影響社會(huì)發(fā)展以及人們生活的各方各面。另外，光纖傳感器在特殊領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用應(yīng)得到關(guān)注。20 世紀(jì) 90 年代，國外就開展了光纖傳感器在核電廠的應(yīng)用研究，光纖傳感器能覆蓋核電廠各種參數(shù)的測量。理論上，可以構(gòu)建一個(gè)全光纖傳感系統(tǒng)，從而充分發(fā)揮光纖傳感器所具有的精度高、小型化、分布式抗電磁干擾、本質(zhì)安全等優(yōu)勢。未來，為了滿足自動(dòng)化應(yīng)用，光纖-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的關(guān)鍵，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，光纖-無線傳感器將有寬闊的應(yīng)用前景。