光纖傳感器的應用
光纖傳感器具有抗電磁干擾、耐事故能力強、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)的應用,對光纖傳感器的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結。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(lèi)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。按光波調制方式,可分為強度調制型光纖傳感器、頻率調制型光纖傳感器、波長(cháng)調制型光纖傳感器、相位調制型光纖傳感器以及偏振態(tài)調制型光纖傳感器。按傳感器目標分布方式,可分為點(diǎn)式光纖傳感器、準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用很廣,未來(lái)光纖傳感器的發(fā)展趨示有著(zhù)強大的發(fā)展方向。
傳感器在人們日常生活中已經(jīng)得到了廣泛的應用,隨著(zhù)新一代傳輸媒介光纖的問(wèn)世,傳感器得到進(jìn)一步的發(fā)展,出現了光纖傳感器。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(lèi)信息化進(jìn)程的重要標志之一。光纖是一種優(yōu)良的敏感元件,適用于遠程傳輸,監控范圍廣; 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)域得到研究與應用,成為傳感器行業(yè)的先導。
本文主要介紹光纖傳感器的基本組成和原理,并詳細光纖傳感器按照不同分類(lèi)方式的分類(lèi)以及光纖傳感器在溫度、位移和氣體等方面的應用,最后對光纖傳感器未來(lái)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變?yōu)榭蓽y的光信號,其基本結構由光源、敏感元件、光纖和光檢測器及信號處理系統組成。光纖傳感器具有信息調制和解調功能。被測量對光纖傳感器中光波參量進(jìn)行調制的部位稱(chēng)為調制區,光檢測器及信號處理部分稱(chēng)為解調區。當光源所發(fā)出的光耦合進(jìn)光纖,經(jīng)光纖進(jìn)入調制區后,在調制區內受被測量影響,其光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變( 如光的強度、頻率、波長(cháng)、相位、偏振態(tài)等發(fā)生改變) ,成為被調制的信號光。經(jīng)過(guò)光纖傳輸到光檢測器,光檢測器接收進(jìn)來(lái)的光信號并進(jìn)行光電轉換,輸出電信號。最后,信號處理系統對電信號進(jìn)行處理得出被測量的相關(guān)參數,也就是解調。
光纖傳感器的分類(lèi)
按光纖在傳感器中的作用分類(lèi)
根據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(chēng)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光纖,具有“傳”和“感”兩種功能,被測參量通過(guò)直接改變光纖的某些傳輸特征參量對光波實(shí)施調制。此類(lèi)傳感器結構緊湊、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(tīng)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光波的作用,其調制區在光纖之外,發(fā)射光纖與接收光纖不具有連續性,其原理為光照射在外加的調制裝置( 敏感元件) 上受被測參量調制。這類(lèi)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單、成本低、容易實(shí)現,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、散射的光并傳輸到光檢測器,經(jīng)過(guò)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)現了不透明流體局部速度的測量。此外,多普勒測速儀還被應用于列車(chē)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。
按光波調制方式分類(lèi)
根據被外界信號調制的光波物理特征參量的變化情況,光纖傳感器可分為強度調制型光纖傳感器、相位調制型光纖傳感器、頻率調制型光纖傳感器、波長(cháng)調制型光纖傳感器以及偏振態(tài)調制型光纖傳感器等 5 種。
①強度調制型光纖傳感器。
強度調制是光纖傳感中相對簡(jiǎn)單且使用廣泛的調制方法。其基本原理為: 被測參量對光纖中傳輸光進(jìn)行調制使光強發(fā)生改變,然后通過(guò)檢測光強的變化( 即解調) 實(shí)現對待測參量的測量。強度調制型光纖傳感器大多基于反射式強度調制。這類(lèi)傳感器結構簡(jiǎn)單、成本低、容易實(shí)現,但容易受光源強度波動(dòng)的影響。強度調制型光纖傳感器開(kāi)發(fā)應用較 早,近年來(lái)的研究也在不斷突破創(chuàng )新。
②頻率調制型光纖傳感器。
光頻率調制,是指被測參量對光纖中傳輸光的頻率進(jìn)行調制,通過(guò)頻率偏移來(lái)檢測出被測參量。目前,頻率調制型光纖傳感器大多用于測量位移和速度。
③波長(cháng)調制型光纖傳感器。
被測量的信號通過(guò)選頻、濾波等方式來(lái)改變傳輸光的波長(cháng),這類(lèi)調制方式稱(chēng)為光波長(cháng)調制。傳統的光波長(cháng)調制光纖傳感器有基于游標效應的級聯(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(mǎn)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(cháng)探測技術(shù)。近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的光纖光柵傳感器,則拓展了功能型光波長(cháng)調制傳感器的應用范圍。
④相位調制型光纖傳感器。
相位調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發(fā)生變化,導致傳輸光的相位發(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(lèi)感器具有高靈敏度、快響應、動(dòng)態(tài)測量范圍大等優(yōu)點(diǎn),但是對光源和檢測系統的精密度要求高。
⑤偏振態(tài)調制型光纖傳感器。
偏振態(tài)調制光纖傳感器不受光源強度影響、結構簡(jiǎn)單、靈敏度高。利用法拉第效應的電流傳感器是其主要應用領(lǐng)域之一。
按目標分布情況分類(lèi)
根據檢測目標的分布情況,傳感器可分為點(diǎn)式光纖傳感器、準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,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(lèi)傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)明顯,檢測性能較高,卻無(wú)法對待測物體進(jìn)行多點(diǎn)分布檢測。
②準分布式光纖傳感器。
準分布式光纖傳感器可對待目標同時(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。典型的準分布式光纖傳感器應用案例有光纖水聽(tīng)器列陣[24]和光纖光柵陣列傳感器。
準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,目前的準分布式光纖傳感器能夠同時(shí)傳感的點(diǎn)位數量是有限的。
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),適用于檢測結構的應變分布。例如應用于土木工程中的大型結構,可以快速、無(wú)損地測量結構的位 移、內 部 或 表 面 應力等重要參數。根據沿著(zhù)光纖的光波參量分布,同時(shí)獲取傳感光纖區域內隨時(shí)間和空間變化的待測量分布信息,可實(shí)現大范圍、長(cháng)距離、長(cháng)時(shí)間的連續傳感。
目前主要的分布式光纖傳感器類(lèi)型主要有干涉型光纖傳感器、光纖布拉格光柵傳感器等。工程應用中,分布式光纖傳感技術(shù)可以連續不間斷地動(dòng)態(tài)監測目標物的受力變化情況,監測結果準確度高、抗干擾能力強。
光纖傳感器的應用
光纖傳感器能夠實(shí)現的傳感物理量十分廣泛,能夠對許多種外界參量進(jìn)行測量。其中,對溫度、位移以及氣體方面的測量應用尤為突出,被廣泛用于各行各業(yè),有著(zhù)十分廣闊的市場(chǎng)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(lái)隨著(zhù)技術(shù)設施的發(fā)展,以光纖本身固有特性為基礎的光纖傳感器得到了廣泛的應用。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)及應用應得到關(guān)注。20 世紀 90 年代,國外就開(kāi)展了光纖傳感器在核電廠(chǎng)的應用研究,光纖傳感器能覆蓋核電廠(chǎng)各種參數的測量。理論上,可以構建一個(gè)全光纖傳感系統,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(lái),為了滿(mǎn)足自動(dòng)化應用,光纖-無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)則是實(shí)現自動(dòng)化的關(guān)鍵,能夠實(shí)現實(shí)時(shí)監測,有利于實(shí)現自動(dòng)化生產(chǎn),光纖-無(wú)線(xiàn)傳感器將有寬闊的應用前景。