光纤传感器及其应用

光纤传感器随着光纤通信技术的实用化有了迅速发展,且以体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等明显优于传统传感器的特点,其应用范围深入至国防军事、航天航空、土木工程、电力、能源、环保、医学等。

1、光纤传感器的基本构成和组成原理光纤传感器主要由光源、光纤与探测器3部分组成,光源发出的光耦合进光纤,经光纤进入调制区,在调治区内,外界被测参数作用于进入调区内的光信号,是其光学性质如光的强度、相位、偏振态、波长等发生变化成为被调制的信号光,再经过光纤送入光探测器而获得被测参数,光纤传感器中的光纤通常由纤芯、包层、树脂涂层和塑料护套组成,纤芯和包层具有不同的折射率,树脂涂层对光纤起保护作用,光纤按材料组成分为玻璃光纤和塑料光纤;按光纤纤芯和包层折射率的分布可分为阶跃折射率型光纤和梯度折射率光纤两种。光纤能够约束引导光波在其内部或表面附近沿轴线方向向前传播,具有感测和传输的双重功能,是一种非常重要的智能材料。

2、光纤传感器的类型及特点光纤传感器的类型很多,按光纤传感器中光纤的作用可分为传感型和传光型两种类型。
传感型光纤传感器又称为功能型光纤传感器,主要使用单模光纤,光纤不仅起传光作用,同时又是敏感元件,它利用光纤本身的传输特性经被测物理量作用而发生变化的特点,使光波传导的属性(振幅、相位、频率、偏振)被调制。因此,这一类光纤传感器又分为光强调制型,偏振态调制型和波长调制型等几种。对于传感型光纤传感器,由于光纤本身是敏感元件,因此加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度。
传光型光纤传感器又称非功能型光纤传感器,它是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后,通过在输出段进行光信号处理而进行测量的。在这类传感器中,光纤仅作为传光元件,必须附加能够对光纤所传递的光进行调治的敏感元件才能组成传感元件。

3、光纤传感器的应用光纤传感器的应用范围很广,几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活,尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用,解决了许多行业多年来一直存在的技术难题,具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面的应用:
(1)城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中,用于测试应力松弛、施工应力和动荷载应力从而来评估桥梁短期、施工阶段和长期营运状态的结构性能。
(2)在电力系统,需要测定温度、电流等参数,如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等,由于电类传感器易受强电磁场的干扰,无法在这些场合中使用,只能用光纤传感器。分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术,分布式光纤温度传感系统不仅具有普通光纤传感器的优点,还具有对光纤沿线各点的温度的分布式传感能力,利用这种特点我们可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点的温度,定位精度可达米的量级,测温精度可达1度的水平,非常适用于大范围多点测温的应用场合。
(3)在石油化工系统、矿井、大型电厂等,需要检测氧气、碳氢化合物、CO等气体,采用电类传感器不但达不到要求的精度,更严重的是会引起安全事故。因此,研究和开发高性能的光纤气敏传感器,可以安全有效地实现上述检测。
(4)在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面,由于其环境复杂,影响因素多,使用其它传感器达不到所需要的精度,并且易受外界因素的干扰,采用光纤传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精度,可实现对上述各领域的生物量的快速、方便、准确地检测。目前,我国水源的污染情况严重,临床检验、食品安全检测手段比较落后,光纤传感器在这些领域具有极好的市场前景。
(5)医学及生物传感器。医学临床应用光纤辐射剂量计、呼吸系统气流传感系统;圆锥形微型FOS测量氧气浓度及其他生物参数;用FOS探测氢氧化物及其他化学污染物;光纤表面细胞质粒基因组共振生物传感器;生物适应FOS系统应用于海水监测、生化技术、医药。

4、光纤传感器技术发展的主要方向
(1)传感器的实用化研究。即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量,要能够对多种物理量进行同时测量。
(2)提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度,降低其成本,设计复杂的传感器网络工程。注意分布式传感器的参数,即压力、温度,特别是化学参数(碳氢化合物、一些污染物、湿度、PH值等)对光纤的影响。
(3)传感器用特殊光纤材料和器件的研究。例如:增敏和去敏光纤、荧光光纤、电极化光纤的研究等。这些将是以后传感器进一步发展的趋势。
(4)在恶劣条件下(高温、高压、化学腐蚀)低成本传感器(支架、连接、安装)的开发和应用。
(5)新传感机理的研究,开拓新型光纤传感器。
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