光纖傳感器的分類及應(yīng)用

1、光纖傳感器的分類及應(yīng)用2008 級光信息科學(xué)與技術(shù) 3 班 牛鑫 學(xué)號： 200841801071 光纖傳感器（ Optical Fiber Transducer ）就是利用光導(dǎo)纖維的傳光特性， 把被測量轉(zhuǎn)換為光特性 （強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)、頻率、波長 ）改變的傳感器。 它 的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器， 使待測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制 區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏正 態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后， 獲得被測參數(shù)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 , 信息的獲得顯得越來越重要。傳感器正是感知、 檢測、監(jiān)控和轉(zhuǎn)換信息的

2、重要技術(shù)手段。 光纖傳感器是繼光學(xué)、 電子學(xué)為一體的 新型傳感器 , 與以往的傳感器不同 , 它將被測信號的狀態(tài)以光信號的形式取出。 光信號不僅能被人所直接感知 , 利用半導(dǎo)體二極管如光電二極管等小型簡單元 件還可以進(jìn)行光電、電光轉(zhuǎn)換 , 極易與一些電子裝配相匹配 , 這是光纖傳感器的 優(yōu)點(diǎn)之一 ; 另外光纖不僅是一種敏感元件 , 而且是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線 ; 因 此 , 光纖傳感器還可用于傳統(tǒng)的傳感器所不適用的遠(yuǎn)距離測量。 近年來光纖傳感 器得到了越來越廣泛的應(yīng)用。近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。 在這一過程中， 光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞

3、。 它具有很多獨(dú)特 的優(yōu)點(diǎn)： 1、靈敏度高由于光是一種波長極短的電磁波 , 通過光的相位便得到其 光學(xué)長度。以光纖干涉儀為例 , 由于所使用的光纖直徑很小 , 受到微小的機(jī)械外 力的作用或溫度變化時其光學(xué)長度要發(fā)生變化 , 從而引起較大的相位變化。 2、 測量速度快光的傳播速度最快且能傳送二維信息 , 因此可用于高速測量。 對雷達(dá) 等信號的分析要求具有極高的檢測速率 , 應(yīng)用電子學(xué)的方法難以實(shí)現(xiàn) , 利用光 的衍射現(xiàn)象的高速頻譜分析便可解決。 3 、信息容量大被測信號以光波為載體 , 而光的頻率極高 , 所容納的頻帶很寬 , 同一根光纖可以傳輸多路信號。 4 、適用 于惡劣環(huán)境光纖是一種電介質(zhì)

4、 , 耐高壓、耐腐蝕、抗電磁干擾 , 可用于其它傳感 器所不適應(yīng)的惡劣環(huán)境中。 另外 , 利用光纖的柔韌性可將光纖傳感器做成各種形 狀的傳感器及傳感器陣列 , 用于多參數(shù)測量。光纖傳感器可以分為兩大類 ：一類是功能型（傳感型）傳感器 ; 另一類是非功能型（傳 光型）傳感器。一、功能型傳感器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 , 被測量對光纖內(nèi)傳輸 的光進(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 , 再通過對被調(diào)制 過的信號進(jìn)行解調(diào) , 從而得出被測信號。 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)受被測量調(diào)制，多采用多模光纖。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊

5、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、光纖水聽器等二、非功能型傳感器 非功能型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量調(diào)制。優(yōu)點(diǎn)：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)； 比較容易實(shí)現(xiàn)， 成本低。 缺點(diǎn)：靈敏度較低。 實(shí) 用化的大都是非功能型的光纖傳感器。 光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)， 可以用來 測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測量 技術(shù)難以完成的測量任務(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

6、顯示出了獨(dú)特的能力。 目前光纖傳感器已經(jīng)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量。 外接的 被測量物理量能夠引起測量臂的長度、 折射率、 直徑的變化， 從而使得光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庠谡?幅、相位、頻率、偏振等方面發(fā)生變化。 測量臂傳輸?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)這個變化就可檢測出被測量的變化。光纖中傳輸 的相位受外界影響的靈敏度很高，利用干涉技術(shù)能夠檢測出10的負(fù) 4次方弧度的微小相位變化所對應(yīng)的物理量。利用光纖的繞性和低損耗，能夠?qū)⒑荛L的光纖盤成直徑很小的光纖圈，

7、 以增加利用長度，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， 就會產(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， 它對光纖的作用就是使光纖受力并產(chǎn)生彎曲， 通過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 量計的原理。光纖傳感器可以應(yīng)用在多個方面 ： 溫度的檢測，壓力的檢測，液位、流量、流速的檢 測。一、溫度的檢測 光纖溫度傳感器采用一種和光纖折射率相匹配的高分子溫敏材料

8、涂覆在二根熔接在一 起的光纖外面， 使光能由一根光纖輸入該反射面出另一根光纖輸出， 由于這種新型溫敏材料 受溫度影響， 折射率發(fā)生變化， 因此輸出的光功率與溫度呈函數(shù)關(guān)系。 其物理本質(zhì)是利用光 纖中傳輸?shù)墓獠ǖ奶卣鲄⒘?，如振幅、相位、偏振態(tài)、波長和模式等，對外界環(huán)境因素，如 溫度，壓力，輻射等具有敏感特性。它屬于非接觸式測溫。系統(tǒng)的工作原理為 : 在低溫區(qū)（400 以下）, 輻射信號較弱 , 系統(tǒng)開啟發(fā)光二極管 （LED） 使熒光測溫系統(tǒng)工作。 發(fā)光二極管發(fā)射調(diào)制的激勵光 , 經(jīng)聚光鏡耦合到 Y型光纖的分支端 , 由 Y型光纖并通過光纖耦合器耦合到光纖溫度傳感頭。光纖傳感頭端部受激勵光激發(fā)而發(fā)

9、射熒光 , 熒光信號由光纖導(dǎo)出 , 并通過光纖耦合器從 Y型光纖的另一分支端射出 , 由光電探 測器接收。 光電探測器輸出的光信號經(jīng)放大后由熒光信號處理系統(tǒng)處理 , 計算熒光壽命并 由此得到所測溫度值。 而在高溫區(qū) （ 400 以上） , 輻射信號足夠強(qiáng) , 輻射測溫系統(tǒng)工作 , 發(fā) 光二極管關(guān)閉。 輻射信號通過藍(lán)寶石光纖并通過 Y型光纖輸出 , 由探測器轉(zhuǎn)換成電信號 , 系 統(tǒng)通過檢測輻射信號強(qiáng)度計算得到所測溫度。 光纖傳感頭端部由 Cr3+ 離子摻雜 , 實(shí)現(xiàn)光激勵 時的熒光發(fā)射。 摻雜部分光纖長度為 810 mm 。 端部光纖的外表面同時鍍覆黑體腔 , 用 于輻射測溫。 （這時 ,光纖黑

10、體腔長度與直徑之比大于 10,可以滿足黑體腔表觀輻射率恒定的 要求 ）。 值得注意的是 , 避免或減少熒光發(fā)射部分與熱輻射部分的相互干擾 , 對保證整個系 統(tǒng)的性能十分重要。二、壓力的檢測 光纖壓力傳感器主要有強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型三種。 強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器是一種可用于測量位移、溫度、 壓力、 氣體濃度等多種物理量的高精度傳感器。 大多基于彈性元件受壓發(fā)生機(jī)械形變， 將壓力信號轉(zhuǎn)換為位移信號來進(jìn)行檢測。為改善傳感器的性能， 微弱光強(qiáng)信號的檢測需要載波調(diào)制和雙光路補(bǔ)償。 傳統(tǒng)的這類傳 感器通常采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，存在著元件漂移誤差、調(diào)校困難、不易組網(wǎng)、尺寸較大等固有 的弊端。 相位調(diào)

11、制型光纖傳感器是利用光纖本身作為敏感元件， 通過被測能量場的作用， 使 光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化， 再用干涉測量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化， 從而檢測 出待測的物理量。 光纖中光的相位由光纖波導(dǎo)的物理長度、 折射率及其分布、 波導(dǎo)橫向幾何 尺寸所決定， 應(yīng)力、 應(yīng)變、溫度等外界物理量能直接改變上述三個波導(dǎo)參數(shù)，產(chǎn)生相位變化，實(shí)現(xiàn)光纖的相位調(diào)制。 簡單地說， 將被測量轉(zhuǎn)為光的波長或 光程 差的變化， 從而使相位發(fā)生 變化的方法稱為相位調(diào)制。 與其它 調(diào)制方式 相比，相位 調(diào)制技術(shù) 由于采用干涉技術(shù)而具有很 高的檢測靈敏度，對溫度為 106 rad /m，對壓力為 10-9rad/m Pa，

12、對應(yīng)變 (軸向 )為11.4 rad/m m。如果 信號檢測 系統(tǒng)可以檢測 rad 的相位移，那么，每米光纖的檢測靈敏度對溫 度為10-8 ，對壓力為 10-7Pa ，對應(yīng)變?yōu)?10-7 。動態(tài)測量范圍大，可達(dá) 10次方，且探頭形 式靈活多樣， 適用于不同的測試環(huán)境， 同時響應(yīng)速度 也快。常用的相位調(diào)制型光 干涉儀有四 種：(1)馬赫曾德爾 (Mach-Zehnder) 干涉儀； (2)麥克爾遜 (Michelson) 干涉儀； (3)法布里 珀羅 (Fabry-Perot ，簡寫為 F-P)干涉儀； (4)塞格奈克 (Sagnac) 干涉儀。 偏振調(diào)制型主要是 利用晶體的光彈性效應(yīng)。三、液位

13、、流量、流速的檢測 在化工、機(jī)械、水利、石油、醫(yī)療、污染檢測等領(lǐng)域經(jīng)常會遇到需要在惡劣環(huán)境下對液 位、流量、流速等物理量進(jìn)行測量的問題。光纖傳感器在這些檢測中可以發(fā)揮獨(dú)特的作用。將光纖用高溫火焰燒軟后對折， 并將端部燒結(jié)成球形。 光由一端導(dǎo)入， 在球狀對折端部 一部分光透射出去， 另一部分光反射回來， 由光纖的另一端導(dǎo)向探測器。 這就構(gòu)成球面光纖 液位檢測器。 光纖流速計可以進(jìn)行非接觸測量， 因此不會影響待測物體的流動狀態(tài)。 被測流 體可以是液體，也可以是氣體。光纖傳感器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向： 光纖傳感器的研究始于本世紀(jì) 7 0 年代。自1977 年美國海軍研究所 (NRL)開始執(zhí)行光纖傳感系

14、統(tǒng) ( F O S S ) 計劃以來 , 世界上許多 實(shí)驗(yàn)室都相繼開展了光纖傳感技術(shù)的研究工作 , 隨著光纖傳感器研究的不斷深入 , 許多國際 間的學(xué)術(shù)交流也日漸增多。從 1 9 8 3 年起國際光纖傳感器會議定期召開。從事光纖傳感器 研究最早的美國海軍研究所研制出了水聲器、 磁強(qiáng)計等水下檢測設(shè)備、 現(xiàn)代數(shù)字光纖控制系統(tǒng)(ADSS) 、光纖譯碼的光纖傳感器系統(tǒng)以及光纖陀螺(FOG)、核輻射監(jiān)控 (NRM)、飛機(jī)發(fā)動機(jī)監(jiān)控等 , 參加該研究的還有宇航局 ( N A S A ) 年英國成立了以貿(mào)易工業(yè)部為首的傳感器合作協(xié)會 研制出高壓光纖電流測量裝置 ( 中央電氣研究所 傳感器及無源多路測試系統(tǒng) ( 曼徹斯特大學(xué) ) 、 件等 4 。在1 9 8 3 年歐洲的傳感器展示會上 的光纖傳感器、 全光纖干涉儀及適用于危險地區(qū)、 辨率長沖程位移傳感器。從光纖傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀及文獻(xiàn)報道情況來看 研究方向是 : ( 1 ) 解決光纖傳感器的實(shí)用化問題、西屋電氣公司、斯坦福大學(xué)等 3 。1982, 到1 9 8 5 年發(fā)展到 2 6 個成員, 相繼 ) 、光纖陀螺及水聲器 ( 倫敦大學(xué) ) 、光纖 低雙折射光纖、 高雙折射光纖及光纖無源器, 英國展出了用于壓力、溫度、速度測量電磁噪聲惡劣環(huán)境的用作過程控制的高分, 它具有廣闊的應(yīng)用前景