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  • 文章詳情

    說說光纖傳感器的具體情況

    日期:2021-06-24 23:31
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    摘要:一、光纖傳感器簡介 光纖*早的出現的目的是用于傳輸光,在20世紀70年代初生產出低損耗光纖后,光纖用于長距離傳遞信息,是光纖通信的基石,也可以豪不夸張的說光纖也是現代信息社會的基石。由于光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質,而且光波在光纖中傳播的特征參量(振幅、相位、偏振態、波長等)會因外界因素(如溫度、壓力、應變、振動、聲音、磁場、折射率、扭曲、等)的作用而間接或直接地發生變化,分析這些變化就可以得到外界作用的某些性質,從而可將光纖用作傳感器元件來探測各種物理量、化學量和生物量,這就是光纖傳感器的基本原理。...
    一、光纖傳感器簡介
    光纖*早的出現的目的是用于傳輸光,在20世紀70年代初生產出低損耗光纖后,光纖用于長距離傳遞信息,是光纖通信的基石,也可以豪不夸張的說光纖也是現代信息社會的基石。由于光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質,而且光波在光纖中傳播的特征參量(振幅、相位、偏振態、波長等)會因外界因素(如溫度、壓力、應變、振動、聲音、磁場、折射率、扭曲、等)的作用而間接或直接地發生變化,分析這些變化就可以得到外界作用的某些性質,從而可將光纖用作傳感器元件來探測各種物理量、化學量和生物量,這就是光纖傳感器的基本原理。

    光纖傳感器的基本結構由光源、傳輸光纖和光檢測部分組成??紤]到光纖傳輸已經很簡單,通常一套完整的光纖傳感器主要由傳感器和解調儀構成。光源發出的光耦合進光纖,經光纖進入調制區;在調制區內外界被測參數作用于進入調制區內的光信號,使其光學性質如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等發生變化成為被調制的信號光:再經過光纖送入光檢測器,光檢測器對進來的光信號進行光電轉換,輸出電信號;*后對電信號進行信號處理而得到可用信號,從而獲得被測參數。

    傳感技術是當今世界發展*為迅速的高新技術之一。新型傳感器不僅追求高精度、大量程、高可靠、低功耗和微型化,并且向著集成化、多功能、智能化和網絡化的方向發展,以滿足工業、農業、國防和科研等各個領域的需求。光纖傳感技術是20世紀70年代隨著光纖技術和光通信技術的發展而迅速發展起來的。它代表了新一代傳感技術的發展趨勢。光纖傳感器的產業已被國內外公認為*具有發展前途的高新技術產業之一,它以技術含量高、經濟效益好、滲透能力強、市場前景廣等特點為世人所矚目。



    二、光纖傳感器國內外發展現狀
    自從1966年華裔科學家高錕首先提出了用玻璃纖維傳輸光信息,奠定了光纖通訊和光纖傳感技術的理論基礎,1970年美國康寧公司的D.B.Keck,A.R.Yynes等人率先制造了低損耗(20dB/Km)石英光纖,光纖制造工藝已經得到了長足的發展,并在光通訊等領域逐漸得到了廣泛應用。同時人們逐漸意識到利用光纖的許多特性可以進行物理量的測量:70年代中期光纖傳感器一經出現,就受到各國有關研究部門的高度重視。

    (1)國內光纖傳感器發展現狀
    我國在70年代末就開始了光纖傳感器的研究,其起步時間與國際相差不遠。目前已有上百個單位在這一領域開展工作,其中的大學包括清華大學、北京航天航空大學,哈爾濱工程大學、哈爾濱工業大學、吉林大學、大連理工大學、北京交通大學、華中科技大學、北京理工大學、南開大學、天津大學、武漢理工大學、重慶大學、電子科技大學、上海大學、上海交通大學、復旦大學、浙江大學、南京大學、南京航空航天大學、暨南大學、深圳大學、國防科技大學、中國計量大學等,研究所包括:電子工業部下的38所,航天11所、中科院半導體所、上海微系統所、航空304所等。目前從事光纖傳感器產業化的公司估計有上一百家了。他們在光纖溫度傳感器、壓力計、流量計、液位計、電流計、位移計等領域進行了大量的研究,取得了上百項科研成果,其中相當數量的研究成果具有很高的實用價值,有的達到世界先進水平。每年發表的論文、申請的磚利也不少。但與發達國家相比,我國的差距主要表現在產品的可靠性、穩定性方面,大多數品種仍處于實驗室研制階段,不能投入批量生產和工程化應用。

    (2)國外光纖傳感器發展現狀
    由于光纖傳感器應用的廣泛性及其廣闊的市場,其研究和開發在世界范圍內引起了高度的重視,各發達國家更是競相研究開發并引起激烈的競爭。美國是研究光纖傳感器起步*早、水平*高的國家,在軍事和民用領域的應用方面,其進展都十分迅速。在軍事應用方面,他們研究和開發主要包括:水下探測的光纖傳感器,用于航空監測的光纖傳感器,光纖陀螺,用于核輻射檢測的光纖傳感器等。這些研究都分別由美國空軍、海軍、陸軍和國家宇航局(NASA)的有關部門負責,并得到許多大公司的資助。

    美國也是*早將光纖傳感器用于民用領域的國家。如運用光纖傳感器監測電力系統的電流、電壓、溫度等重要參數,監測橋梁和重要建筑物的應力變化,檢測肉類和食品的**和病毒等。美國的很多大學、研究單位和公司都開展了光纖傳感器的研究和開發,如斯坦福大學、弗吉尼亞理工大學、Babock&Wilcox公司、Accufiber公司、Fidberdy-Elamies公司、EOTcc公司、Optical技術公司等。據統計,1993年以后,美國光纖傳感器的銷售總額每年以30-40%的增長速度發展,到2000年達到100億美元。近期的調查結果表明,美國光纖傳感器的研究開發重點已經向民用領域轉移,民用光纖傳感器的產量已**超過軍用傳感器。

    日本和西歐各國也高度重視并投入大量經費開展光纖傳感器的研究與開發。日本在80年代便制定了“光控系統應用計劃”,該計劃旨在將光纖傳感器用于大型工廠,以解決強電磁干擾和易燃易爆等惡劣環境中的信息測量、傳輸和生產過程的控制。90年代,由東芝、日本電氣等15家公司和研究機構,研究開發出12種具有上等水平的民用光纖傳感器,其中*有代表性的是波長掃描型光纖溫度傳感器。它是光纖傳感器網絡系統,可把分散在工廠各場所的信息進行時序化處理,并以全光方式收集。這種網絡裝置可連接1000個以上的傳感器。由于該網絡系統不使用電氣器件,安全防爆,特別適合于煉油廠、化工廠的各種過程控制系統。該系統實際上是集光纖材料、光纖傳感器件、計算機網絡等高新技術于一體,其產品在國際市場上具有廣闊發展前景。西歐各國的大型企業和公司也積極參與了光纖傳感器的研究與開發和市場競爭,其中包括英國的標準電訊公司、法國的湯姆遜公司和德國的西門子公司等。

    三、光纖傳感器的分類
    光纖傳感器按其工作原理可以分為兩類:一類是非功能型(或稱傳光型)光纖傳感器,另一類是功能型(或稱傳感型)光纖傳感器。非功能型光纖傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化,光纖僅作為傳播光的介質,傳輸來自遠處或者難以接近場所的光信號。功能型傳感型光纖傳感器則是利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特殊光纖)作為傳感元件,自身實現傳感功能的傳感器。這類傳感器中,光纖不僅起傳遞光的作用,而且還利用光纖在外界因素的作用下,其光學特性的變化來實現傳感的功能。根據被調制的光波參數不同,這兩類光纖傳感器都可再分為強度調制光纖傳感器、相位調制光纖傳感器、頻率調制光纖傳感器、偏振態調制光纖傳感器和波長調制光纖傳感器。

    (1)偏振態調制型光纖傳感器
    基本原理是利用光的偏振態的變化來傳遞被測對象信息。光波是一種橫波,它的光矢量是與傳播方向垂直的。如果光波的光矢量方向始終不變,只是它的大小隨相位改變,這樣的光稱為是線偏振光。光矢量與光的傳播方向組成的平面為線偏振光的振動面。如果光矢量的大小保持不變,而它的方向繞傳播方向均勻的轉動,光矢量末端的軌跡是一個圓,這樣的光稱為圓偏振光。如果光矢量的大小和方向都在有規律的變化,且光矢量的末端沿一個橢圓轉動,這樣的光稱為橢圓偏振光。利用光波的偏振性質,可以制成偏振調制光纖傳感器。在許多光纖系統中,尤其是包含單模光纖的那些系統,偏振起著重要的作用。許多物理效應都會影響或改變光的偏振狀態,有些效應可引起雙折射現象。所謂雙折射現象就是對于光學性質隨方向而異的一些晶體,一束入射光常分解為兩束折射光的現象。光通過雙折射媒質的相位延遲是輸入光偏振狀態的函數。偏振態調制光纖傳感器檢測靈敏度高,可避免光源強度變化的影響,而且相對相位調制光纖傳感器結構簡單、且調整方便。其主要應用領域為:利用法拉第效應的電流、磁場傳感器;利用泡爾效應的電場、電壓傳感器;利用光彈效應的壓力、振動或聲傳感器;利用雙折射性的溫度、壓力、振動傳感器。目前*主要的還是用于監測強電流。

    (2)波長調制型光纖傳感器
    傳統的波長調制型光纖傳感器是利用傳感探頭的光譜特性隨外界物理量變化的性質來實現的。此類傳感器多為非功能型傳感器。在波長調制的光纖探頭中,光纖只是簡單的作為導光用,即把入射光送往測量區,而將返回的調制光送往分析器。光纖波長探測技術的關鍵是光源和頻譜分析器的良好性能,這對于傳感系統的穩定性和分辨率起著決定性的影響。光光纖波長調制技術主要應用于醫學、化學等領域。例如,對人體血氣的分析、PH值檢測、指示劑溶液濃度的化學分析、磷光和熒光現象分析、黑體輻射分析和法布里一珀羅濾光器等。

    (3)頻率調制型光纖傳感器
    基本原理是利用運動物體反射或散射光的多普勒頻移效應來檢測其運動速度,即光頻率與光接收器和光源間運動狀態有關。當它們相對靜止時,接收到光的振蕩頻率;當它們之間有相對運動時,接收到的光頻率與其振蕩頻率發生頻移,頻移大小與相對運動速度大小和方向有關。因此,這種傳感器多用于測量物體運動速度。頻率調制還有一些其他方法,如某些材料的吸收和熒光現象隨外界參量也發生頻率變化,以及量子相互作用產生的布里淵和拉曼散射也是一種頻率調制現象。其主要應用是測量流體流動,其它還有利用物質受強光照射時的拉曼散射構成的測量氣體濃度或監測大氣污染的氣體傳感器;利用光致發光的溫度傳感器等。

    (4)強度調制型光纖傳感器
    基本原理是待測物理量引起光纖中傳輸光光強的變化,通過檢測光強的變化實現對待測量的測量。一恒定光源發出的一定強度的激光注入傳感頭,在傳感頭內,光在被測信號的作用下其強度發生了變化,即受到了外場的調制,使得輸出光強的包絡線與被測信號的形狀一樣,光電探測器測出的輸出電流也作同樣的調制,信號處理電路再檢測出調制信號,就得到了被測信號。這類傳感器的優點是結構簡單、成本低、容易實現,因此開發應用的比較早,現在已經成功的應用在位移、壓力、表面粗糙度、加速度、間隙、力、液位、振動、輻射等的測量。強度調制的方式很多,大致可分為反射式強度調制、透射式強度調制、光模式強度調制以及折射率和吸收系數強度調制等等。一般反射式強度調制、透射式強度調制、折射率強度調制稱為外調制式,光模式稱為內調制式。但是由于原理的限制,它易受光源波動和連接器損耗變化等的影響,因此這種傳感器只能用于干擾源較小的場合。

    (5)相位調制型光纖傳感器
    基本原理是:在被測能量場的作用下,光纖內的光波的相位發生變化,再用干涉測量技術將相位的變化轉換成光強的變化,從而檢測到待測的物理量。相位調制型光纖傳感器的優點是具有極高的靈敏度,動態測量范圍大,同時響應速度也快,其缺點是對光源要求比較高同時對檢測系統的精密度要求也比較高,因此成本相應較高。目前主要的應用領域為:利用光彈效應的聲、壓力或振動傳感器;利用磁致伸縮效應的電流、磁場傳感器;利用電致伸縮的電場、電壓傳感器;利用賽格納克效應的旋轉角速度傳感器(光纖陀螺)等。

    而目前所稱的波長調制型光纖傳感器主要是指光纖布拉格光柵傳感器(FBG)??梢院敛豢鋸埖恼f,正是有了光纖光柵傳感器,光纖傳感器才真正開始從實驗室鄒向大規模的工程應用。

                                  圖2  光纖光柵傳感器

    四、光纖傳感器的優點
    無論采用何種調制方法,光纖傳感器與傳統傳感器相比有一系列獨特的優點:

    (1)傳輸損耗小,傳輸容量大:可實現遠距離遙控監測和多點分布式測量。

    (2)測量范圍廣;可測量溫度、壓強、應變、應力、流量、流速、電流、電壓、

    (3)傳感器端無需供電,是無源器件,將傳輸與傳感集合到一體。

    (4)傳感器能夠復用,甚至實現分布式測量,一臺測量儀器可以實現大規模的傳感器測量。

    (5)抗電磁干擾:一般電磁輻射的頻率比光波低許多,所以在光纖中傳輸的光信號不受電磁干擾的影響。

    (6)電絕緣性能好,安全可靠:光纖本身是由電介質構成的,適宜于在易燃易爆的油、氣、化工生產中使用。

    (7)測量精度可以很高。有些光纖傳感器(如干涉型)可以達到非常高的測量精度和分辨率。

    (8)體積小、重量輕,幾何形狀可塑。

    (9)耐腐蝕,化學性能穩定:由于制作光纖的材料——石英具有極高的化學穩定性,因此光纖傳感器適宜于在較惡劣環境中使用。

    液位、液體濃度成分等,可以說光纖傳感器能測量幾乎所有物理量和很多化學量。

    五、光纖傳感器的實用化進程

    目前,世界上光纖傳感器領域的發展分為兩大方向,原理性研究與應用開發。隨著光纖技術的日趨成熟,對傳感器的實用化開發成為整個領域發展的熱點和關鍵。光纖傳感器的應用范圍很廣,幾乎涉及國民經濟的所有重要領域和人們的日常生活,尤其可以安全有效地在惡劣環境中使用,解決了許多行業多年來一直存在的技術難題,具有很大的市場需求。其應用主要表現在以下幾個方面:

    1)在電力系統,需要測定溫度、電流等參數,如對高壓變壓器和大型電機的定子、轉子內的溫度檢測等,由于電類傳感器易受強電磁場的干擾,無法在這些場合中使用,只能用光纖傳感器。

    (2)在醫學及生物方面應用傳感器。醫學臨床應用光纖輻射劑量計、呼吸系統氣流傳感系統:圓錐形微型FOS測量氧氣濃度及其他生物參數;用FOS探測氫氧化物及其他化學污染物;生物適應FOS系統應用于海水監測、生化技術、醫藥。

    (3)在石油化工系統、礦井、大型電廠等,需要檢測氧氣、碳氫化合物、CO等氣體,采用電類傳感器不但達不到要求的精度,更嚴重的是會引起安全事故。因此,研究和開發高性能的光纖氣敏傳感器,可以安全有效地實現上述檢測。

    (4)在城市建設中的橋梁、高速公路以及大壩水庫等民用基礎設施的狀態檢測中,光纖檢測技術得到應用,同時光纖檢測技術在航空航天領域的應用也越來越廣泛。在混凝土中埋入光纖傳感器進行結構安全監測:在飛機場用干涉型光纖震動傳感器系統監測交通。

    (5)在環境監測、食品安全檢測等方面,由于其環境復雜,影響因素多,使用其它傳感器達不到所需要的精度,并且易受外界因素的干擾,采用光纖傳感器可以具有很強的抗干擾能力和較高的精度,可實現對上述各領域的生物量的快速、方便、準確地檢測。目前,我國水源的污染情況嚴重,食品安全檢測手段比較落后,光纖傳感器在這些領域具有極好的市場前景。

    隨著光纖傳感技術的進一步發展,其應用領域將更加廣泛。

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