光纖傳感器的分類及應(yīng)用

                                光纖傳感器的分類及應(yīng)用

分類

1、根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式可以分為：強(qiáng)度調(diào)制型、偏振態(tài)制型、相位制型、頻率制型；

2、根據(jù)光是否發(fā)生干涉可分為：干涉型和非干涉型；

3、根據(jù)是否能夠隨距離的增加連續(xù)地監(jiān)測(cè)被測(cè)量可分為：分布式和點(diǎn)分式；

4、根據(jù)光纖在傳感器中的作用可以分為：一類是功能型（Functional Fiber，縮寫為FF)傳感器，又稱為傳感型傳感器； 另一類是非功能型（Non Functional Fiber縮寫為NFF)，又稱為傳光型傳感器。

功能型

    功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件， 被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制， 使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化， 再通過(guò)對(duì)被調(diào)制過(guò)的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)， 從而得出被測(cè)信號(hào)。

    光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測(cè)量調(diào)制，多采用多模光纖。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。

缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高，

典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。

非功能光纖型

    非功能型光纖傳感器是利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變化， 光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)，常采用單模光纖。

光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測(cè)量調(diào)制。

   優(yōu)點(diǎn)：光纖即可用于電氣隔離，有用于數(shù)據(jù)傳輸，且光纖傳輸?shù)男盘?hào)不受電磁干擾的影響。

   實(shí)用化的大都是非功能型的光纖傳感器。AnyWay的變頻電壓傳感器、變頻電流傳感器、變頻功率傳感器（一種電壓、電流組合式傳感器）就屬于非功能型的光纖傳感器，在復(fù)雜電磁環(huán)境下的電量測(cè)量中，有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

    光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，可以用來(lái)測(cè)量多種物理量，比如聲場(chǎng)、電場(chǎng)、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)難以完成的測(cè)量任務(wù)。在狹小的空間里，在強(qiáng)電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨(dú)特的能力。光纖傳感器有70多種，大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。

    所謂光纖自身的傳感器，就是光纖自身直接接收外界的被測(cè)量。外接的被測(cè)量物理量能夠引起測(cè)量臂的長(zhǎng)度、折射率、直徑的變化，從而使得光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庠谡穹?、相位、頻率、偏振等方面發(fā)生變化。測(cè)量臂傳輸?shù)墓馀c參考臂的參考光互相干涉（比較），使輸出的光的相位(或振幅)發(fā)生變化，根據(jù)這個(gè)變化就可檢測(cè)出被測(cè)量的變化。光纖中傳輸?shù)南辔皇芡饨缬绊懙撵`敏度很高，利用干涉技術(shù)能夠檢測(cè)出10的負(fù)4次方弧度的微小相位變化所對(duì)應(yīng)的物理量。利用光纖的繞性和低損耗，能夠?qū)⒑荛L(zhǎng)的光纖盤成直徑很小的光纖圈，以增加利用長(zhǎng)度，獲得更高的靈敏度。

    光纖聲傳感器就是一種利用光纖自身的傳感器。當(dāng)光纖受到一點(diǎn)很微小的外力作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力發(fā)生很大的變化。聲音是一種機(jī)械波，它對(duì)光纖的作用就是使光纖受力并產(chǎn)生彎曲，通過(guò)彎曲就能夠得到聲音的強(qiáng)弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種，與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本低，可以用于飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈等的高性能慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。如圖就是光纖傳感器渦輪流量計(jì)的原理。

布拉格光柵

    光纖布拉格光柵傳感器（FBS）是一種使用頻率最高，范圍最廣的光纖傳感器，這種傳感器能根據(jù)環(huán)境溫度以及/或者應(yīng)變的變化來(lái)改變其反射的光波的波長(zhǎng)。光纖布拉格光柵是通過(guò)全息干涉法或者相位掩膜法來(lái)將一小段光敏感的光纖暴露在一個(gè)光強(qiáng)周期分布的光波下面。這樣光纖的光折射率就會(huì)根據(jù)其被照射的光波強(qiáng)度而永久改變。這種方法造成的光折射率的周期性變化就叫做光纖布拉格光柵。

    當(dāng)一束廣譜的光束被傳播到光纖布拉格光柵的時(shí)候，光折射率被改變以后的每一小段光纖就只會(huì)反射一種特定波長(zhǎng)的光波，這個(gè)波長(zhǎng)稱為布拉格波長(zhǎng)，這種特性就使光纖布拉格光柵只反射一種特定波長(zhǎng)的光波，而其它波長(zhǎng)的光波都會(huì)被傳播。

按光纖在光纖傳感器中的作用可分為傳感型和傳光型兩種類型。

    傳感型光纖傳感器的光纖不僅起傳遞光作用，同時(shí)又是光電敏感元件。由于外界環(huán)境對(duì)光纖自身的影響，待測(cè)量的物理量通過(guò)光纖作用于傳感器上，使光波導(dǎo)的屬性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等)被調(diào)制。傳感器型光纖傳感器又分為光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、振態(tài)調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型等。

傳光型光纖

    傳光型光纖傳感器是將經(jīng)過(guò)被測(cè)對(duì)象所調(diào)制的光信號(hào)輸入光纖后，通過(guò)在輸出端進(jìn)行光信號(hào)處理而進(jìn)行測(cè)量的，這類傳感器帶有另外的感光元件對(duì)待測(cè)物理量敏感，光纖僅作為傳光元件，必須附加能夠?qū)饫w所傳遞的光進(jìn)行調(diào)制的敏感元件才能組成傳感元件。光纖傳感器根據(jù)其測(cè)量范圍還可分為點(diǎn)式光纖傳感器、積分式光纖傳感器、分布式光纖傳感器三種。其中，分布式光纖傳感器被用來(lái)檢測(cè)大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布，可以快速無(wú)損測(cè)量結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)部或表面應(yīng)力等重要參數(shù)。用于土木工程中的光纖傳感器類型主要有Math-Zender干涉型光纖傳感器，F(xiàn)abry-pero腔式光纖傳感器，光纖布喇格光柵傳感器等。

     光纖傳感器的輕巧性、耐用性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，使其能夠方便的應(yīng)用于建筑鋼結(jié)構(gòu)和混凝土等各種建筑材料的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)的建筑結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)。

光纖傳感器的另外一個(gè)大類是利用光纖的傳感器。其結(jié)構(gòu)大致如下：傳感器位于光纖端部，光纖只是光的傳輸線，將被測(cè)量的物理量變換成為光的振幅，相位或者振幅的變化。在這種傳感器系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的傳感器和光纖相結(jié)合。光纖的導(dǎo)入使得實(shí)現(xiàn)探針化的遙測(cè)提供了可能性。這種光纖傳輸?shù)膫鞲衅鬟m用范圍廣，使用簡(jiǎn)便，但是精度比第一類傳感器稍低。

    光纖在傳感器家族中是后起之秀，它憑借著光纖的優(yōu)異性能而得到廣泛的應(yīng)用，是在生產(chǎn)實(shí)踐中值得注意的一種傳感器。

     光纖傳感器憑借著其大量的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為傳感器家族的后起之秀，并且在各種不同的測(cè)量中發(fā)揮著自己獨(dú)到的作用，成為傳感器家族中不可缺少的一員。

應(yīng)用

    絕緣于污穢、磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流，光纖傳感器可用于位移、震動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、壓力、彎曲、應(yīng)變、速度、加速度、電流、磁場(chǎng)、電壓、濕度、溫度、聲場(chǎng)、流量、濃度、PH值和應(yīng)變等物理量的測(cè)量。光纖傳感器的應(yīng)用范圍很廣，幾乎涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防上所有重要領(lǐng)域和人們的日常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環(huán)境中使用，解決了許多行業(yè)多年來(lái)一直存在的技術(shù)難題，具有很大的市場(chǎng)需求。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面的應(yīng)用：

    城市建設(shè)中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應(yīng)用。光纖傳感器可預(yù)埋在混凝土、碳纖維增強(qiáng)塑料及各種復(fù)合材料中，用于測(cè)試應(yīng)力松弛、施工應(yīng)力和動(dòng)荷載應(yīng)力，從而評(píng)估橋梁短期施工階段和長(zhǎng)期營(yíng)運(yùn)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)性能。

    在電力系統(tǒng)，需要測(cè)定溫度、電流等參數(shù)，如對(duì)高壓變壓器和大型電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)的溫度檢測(cè)等，由于電類傳感器易受電磁場(chǎng)的干擾，無(wú)法在這類場(chǎng)合中使用，只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的高新技術(shù)，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)不僅具有普遍光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，還具有對(duì)光纖沿線各點(diǎn)的溫度的分布傳感能力，利用這種特點(diǎn)我們可以連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量光纖沿線幾公里內(nèi)各點(diǎn)溫度，定位精度可達(dá)米的量級(jí)，測(cè)量精度可達(dá)1度的水平，非常適用大范圍交點(diǎn)測(cè)溫的應(yīng)用場(chǎng)合。

    此外，光纖傳感器還可以應(yīng)用于鐵路監(jiān)控、火箭推進(jìn)系統(tǒng)以及油井檢測(cè)等方面。

    光纖同時(shí)具備寬帶、大容量、遠(yuǎn)距離傳輸和可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)、分布式、低能耗傳感的顯著優(yōu)點(diǎn)。光纖傳感可以不斷汲取光纖通信的新技術(shù)、新器件，各種光纖傳感器有望在物聯(lián)網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。