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。為促進光纖傳感器在更多行業(yè)的應用，對光纖傳感器的研究進展進行了總結。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，未來光纖傳感器的發(fā)展趨示有著強大的發(fā)展方向。

傳感器在人們日常生活中已經得到了廣泛的應用，隨著新一代傳輸媒介光纖的問世，傳感器得到進一步的發(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。這一新技術的影響目前已十分明顯，是人類信息化進程的重要標志之一。光纖是一種優(yōu)良的敏感元件，適用于遠程傳輸，監(jiān)控范圍廣; 其次，光纖體積小，質輕，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領域得到研究與應用，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用，最后對光纖傳感器未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

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行調制的部位稱為調制區(qū)，光檢測器及信號處理部分稱為解調區(qū)。當光源所發(fā)出的光耦合進光纖，經光纖進入調制區(qū)后，在調制區(qū)內受被測量影響，其光學性質發(fā)生改變( 如光的強度、頻率、波長、相位、偏振態(tài)等發(fā)生改變) ，成為被調制的信號光。經過光纖傳輸到光檢測器，光檢測器接收進來的光信號并進行光電轉換，輸出電信號。最后，信號處理系統對電信號進行處理得出被測量的相關參數，也就是解調。

光纖傳感器的分類

按光纖在傳感器中的作用分類

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施調制。此類傳感器結構緊湊、靈敏度高，但是需要用到特殊的光纖及先進的傳感技術，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光波的作用，其調制區(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制裝置( 敏感元件) 上受被測參量調制。這類傳感器的優(yōu)點是結構簡單、成本低、容易實現，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

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行調制使光強發(fā)生改變，然后通過檢測光強的變化( 即解調) 實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。這類傳感器結構簡單、成本低、容易實現，但容易受光源強度波動的影響。強度調制型光纖傳感器開發(fā)應用較 早，近年來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行調制，通過頻率偏移來檢測出被測參量。目前，頻率調制型光纖傳感器大多用于測量位移和速度。

③波長調制型光纖傳感器。

被測量的信號通過選頻、濾波等方式來改變傳輸光的波長，這類調制方式稱為光波長調制。傳統的光波長調制光纖傳感器有基于游標效應的級聯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。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。此類感器具有高靈敏度、快響應、動態(tài)測量范圍大等優(yōu)點，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域之一。

按目標分布情況分類

根據檢測目標的分布情況，傳感器可分為點式光纖傳感器、準分布式光纖傳感器和分布式光纖傳感器。

①點式光纖傳感器。

點式光纖傳感器只能對某一點上的物理量進行感應，光纖上僅連接一個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)缺點明顯，檢測性能較高，卻無法對待測物體進行多點分布檢測。

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進行多點檢測，光纖上連接多個點式光纖傳感器。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)點是能夠進行同時多點傳感，是光纖傳感的一個重要發(fā)展趨勢。然而，目前的準分布式光纖傳感器能夠同時傳感的點位數量是有限的。

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，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。根據沿著光纖的光波參量分布，同時獲取傳感光纖區(qū)域內隨時間和空間變化的待測量分布信息，可實現大范圍、長距離、長時間的連續(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。工程應用中，分布式光纖傳感技術可以連續(xù)不間斷地動態(tài)監(jiān)測目標物的受力變化情況，監(jiān)測結果準確度高、抗干擾能力強。

光纖傳感器的應用

光纖傳感器能夠實現的傳感物理量十分廣泛，能夠對許多種外界參量進行測量。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。光纖傳感器必將進一步發(fā)展，影響社會發(fā)展以及人們生活的各方各面。另外，光纖傳感器在特殊領域中的關鍵技術及應用應得到關注。20 世紀 90 年代，國外就開展了光纖傳感器在核電廠的應用研究，光纖傳感器能覆蓋核電廠各種參數的測量。理論上，可以構建一個全光纖傳感系統，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、本質安全等優(yōu)勢。未來，為了滿足自動化應用，光纖-無線傳感器網絡技術則是實現自動化的關鍵，能夠實現實時監(jiān)測，有利于實現自動化生產，光纖-無線傳感器將有寬闊的應用前景。