光纖檢測及應(yīng)用

1、第七章第七章 光纖檢測技及應(yīng)用光纖檢測技及應(yīng)用背景介紹 光纖傳感器光纖傳感器(FOS Fiber Optical Sensor)是是20世紀(jì)世紀(jì)70年代年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒媒介。因此，它同時具有光纖及光學(xué)測為傳遞敏感信息的媒媒介。因此，它同時具有光纖及光學(xué)測量的特點。量的特點。 經(jīng)過經(jīng)

2、過20余年的研究，光纖傳感器取得了十分重要的進(jìn)展，余年的研究，光纖傳感器取得了十分重要的進(jìn)展，目前正進(jìn)入研究和實用并存的階段。它對軍事、航天航空技目前正進(jìn)入研究和實用并存的階段。它對軍事、航天航空技術(shù)和生命科學(xué)等的發(fā)展起著十分重要的作用。隨著新興學(xué)科術(shù)和生命科學(xué)等的發(fā)展起著十分重要的作用。隨著新興學(xué)科的交叉滲透，它將會出現(xiàn)更廣闊的應(yīng)用前景。的交叉滲透，它將會出現(xiàn)更廣闊的應(yīng)用前景。光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量主要優(yōu)點：主要優(yōu)點：靈敏度

3、高、電絕緣性能好、抗電磁干擾靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、可靠性強(qiáng)、可實、可靠性強(qiáng)、可實現(xiàn)不帶電的全光型探頭?，F(xiàn)不帶電的全光型探頭。頻帶寬、動態(tài)范圍大頻帶寬、動態(tài)范圍大?？捎煤芸捎煤芟嘟募夹g(shù)基礎(chǔ)相近的技術(shù)基礎(chǔ)構(gòu)成傳感不同物理量的傳感器構(gòu)成傳感不同物理量的傳感器便于與計算機(jī)和光纖傳輸系統(tǒng)相連，易于實現(xiàn)便于與計算機(jī)和光纖傳輸系統(tǒng)相連，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的遙測系統(tǒng)的遙測和控制和控制?？捎糜诟邷?、高壓、強(qiáng)電磁干擾、腐蝕等可用于高溫、高壓、強(qiáng)電磁干擾、腐蝕等惡劣環(huán)境惡劣環(huán)境。結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、耗能少。結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、耗能少。一 光纖的基礎(chǔ)知識 光纖就是光導(dǎo)纖維的簡稱，是用光透射率高的

4、電介質(zhì)（如石英、玻璃、塑料等）構(gòu)成的光通路，它是一種介質(zhì)圓柱光波導(dǎo)。 所謂光波導(dǎo)是指將以光的形式出現(xiàn)的電磁波能量利用全反射的原理約束引導(dǎo)光波在光纖內(nèi)部或表面附近沿軸線方向傳播。1.1 基礎(chǔ)一次涂覆層纖芯 包層套層一次涂覆層 包層 纖芯 套層1.2光纖波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)：多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)：1 1、纖芯：石英玻璃，直徑、纖芯：石英玻璃，直徑5-75um5-75um，材料以二氧化硅為主，材料以二氧化硅為主，摻雜微量元素。摻雜微量元素。2 2、包層：直徑、包層：直徑100-200um100-200um，折射率略低于纖芯。，折射率略低于纖芯。3 3、涂敷層：硅酮或丙烯酸鹽，隔離雜光，保護(hù)。、涂敷層：硅酮

5、或丙烯酸鹽，隔離雜光，保護(hù)。4 4、尼龍或其他有機(jī)材料，提高機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)光纖。、尼龍或其他有機(jī)材料，提高機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)光纖。 石英系列光纖（以SiO2為主要材料） 按光纖組成材料劃分 多成分玻璃光纖（材料由多成分玻璃組成） 液芯光纖（纖芯呈液態(tài)） 塑料光纖（以塑料為材料） 階躍型光纖（單包層，折射率均布）（SIF） 按光纖纖芯折射率分布劃分 漸變型光纖（單包層，折射率漸變）（GIF） W型光纖（雙包層，折射率均布） 單模光纖（SMF） 按光纖傳輸模式數(shù)劃分 多模光纖（MMF ）1.3 光纖的分類光纖的纖芯折射率剖面分布 2b 2b 2b 2c 2a 2a 2a n n n n1 n1 n1

6、n2 n2 n2 n3 0 a b r 0 a b r 0 a c b r （a）階躍光纖 （b） 漸變光纖 （c）W型光纖 光纖的類型階躍型多模光纖階躍型多模光纖階躍型多模光纖階躍型多模光纖1.51.5光纖的損耗光纖的損耗損耗散射損耗制作缺陷折射率分布不均勻芯-涂層界面不理想氣泡、條紋、結(jié)石本征散射及其他瑞利散射布里淵散射拉曼散射吸收損耗本征吸收紫外吸收紅外吸收雜質(zhì)離子的吸收過渡族金屬離子OH- 離子其他損耗1.5.1光纖的損耗特性損耗的定義損耗的定義當(dāng)光在光纖中傳輸時，隨著傳輸距離的增加，光功率逐漸減小，當(dāng)光在光纖中傳輸時，隨著傳輸距離的增加，光功率逐漸減小，這種現(xiàn)象即稱為光纖的損耗。損耗

7、一般用損耗系數(shù)這種現(xiàn)象即稱為光纖的損耗。損耗一般用損耗系數(shù)表示：表示：oiPPLlg10損耗的種類損耗的種類吸收損耗：來源于光纖物質(zhì)和雜質(zhì)的吸收作用；吸收損耗：來源于光纖物質(zhì)和雜質(zhì)的吸收作用；散射損耗：光纖材料的不均勻性和尺寸缺陷，如瑞利散射；散射損耗：光纖材料的不均勻性和尺寸缺陷，如瑞利散射；其他損耗：如光纖彎曲也引起散射損耗。其他損耗：如光纖彎曲也引起散射損耗。1.5.2 1.5.2 光纖的色散特性光纖的色散特性色散的定義色散的定義色散的種類色散的種類光纖的色散是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，隨傳輸距離增加，由于不同成分的光傳輸時延不同引起的脈沖展寬的物理效應(yīng)。色散主要影響系統(tǒng)的傳輸容量，也對中繼

8、距離有影響。色散的大小常用時延差表示，時延差是光脈沖中不同模式或不同波長成分傳輸同樣距離而產(chǎn)生的時間差。模式色散：模式色散：模式色散是由于光纖不同模式在同一波長下傳播速度不同，使傳播時延不同而產(chǎn)生的色散。只有多模光纖才存在模式色散，它主要取決于光纖的折射率分布。材料色散：材料色散：材料色散是由于光纖的折射率隨波長變化而使模式內(nèi)不同波長的光時間延遲不同產(chǎn)生的色散。取決于光纖材料折射率的波長特性和光源的譜線寬度。波導(dǎo)色散：波導(dǎo)色散：波導(dǎo)色散是由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長有關(guān)而產(chǎn)生的色散。取決于波導(dǎo)尺寸和纖芯包層的相對折射率差。 波導(dǎo)色散和材料色散都是模式的本身色散，也稱模內(nèi)色散。對于多模光纖，既有模式色

9、散，又有模內(nèi)色散，但主要以模式色散為主。梯度型光纖中模式色散大為減少。 而單模光纖不存在模式色散，只有材料色散和波導(dǎo)色散，由于波導(dǎo)色散比材料色散小很多，通?？梢院雎?。采用激光光源可有效減小材料色散的影響。1.5 光纖的耦合光纖的耦合分為強(qiáng)耦合和弱耦合。 光纖的強(qiáng)耦合是光纖纖芯間形成直通，傳輸模直接進(jìn)入耦合臂。 光纖的弱耦合是通過光纖的彎曲，或使其耦合處成錐狀。于是，纖芯中的部分傳導(dǎo)模變?yōu)榘鼘幽?，再由包層進(jìn)入耦合臂中的纖芯，形成傳導(dǎo)模。光纖信號處理光接收器敏感元件光發(fā)送器圖2 光纖傳感器信號處理電 源信號接收敏感元件圖1 傳統(tǒng)傳感器 導(dǎo)線 由光發(fā)送器發(fā)出的光源經(jīng)光纖引導(dǎo)至敏感元件。這時，光的某一

10、特性受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后?jīng)信號處理得到所期待的被測量。2.1 光纖傳感器結(jié)構(gòu) 以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的電信號的裝置。它的電源、敏感元件、信號接收和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導(dǎo)線連接，見圖1。 光纖傳感器則是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件、光接收器、信號處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成，見圖2。二二 光纖傳感器光纖傳感器 根據(jù)光纖在傳感器中的作用，光纖傳感器分為功能型、非功能型和拾光型三大類1）功能型（全光纖型）光纖傳感器 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)作傳感元件

11、，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光學(xué)特性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等)的變化來實現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長度，可提高靈敏度。信號處理光受信器光纖敏感元件光發(fā)送器2.2光纖傳感器的分類2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器 光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“感覺”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。光纖不連續(xù)。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對靈敏度要求不太高的場合。信號處理光受信器敏感元件光發(fā)送器光纖功能型光纖傳感

12、器非功能型光纖傳感器這類傳感器利用光纖本身對被測對象具有敏感能力和檢測功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測對象作用下，如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號攜帶了被測信息。傳光型光纖傳感器的光纖只當(dāng)作傳播光的媒介，待測對象的調(diào)制功能是由其它光電轉(zhuǎn)換元件實現(xiàn)的，光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的，光纖只起傳光作用。 2.3 幾種主要的光纖傳感器2.3.1 光纖陀螺光纖陀螺原理圖1 光纖陀螺原理圖光纖陀螺是基于Sagnac 效應(yīng)，用光纖構(gòu)成環(huán)狀光路，組成光纖Sagnac 干涉儀。 來自光源的光束被分束器BS1分成兩束光，分別從光纖圈的兩端藕合進(jìn)光纖敏感線圈，沿順、逆時針方向傳播。從光纖圈兩端出來的

13、兩束光，再經(jīng)過合束器BS1而疊加產(chǎn)生干涉。 當(dāng)光纖圈處于靜止?fàn)顟B(tài)時，從光纖圈兩端出來的兩束光，光程差為零。當(dāng)光纖圈以角速率旋轉(zhuǎn)時由于Sagnac效應(yīng)，順、逆時針方向傳播的兩束光產(chǎn)生光程差L可表示為：引起的相應(yīng)的相位差為上式就是光纖陀螺的基本公式，通過檢測相位差（即干涉光強(qiáng)）就可以獲得角速率的信息。應(yīng)用 光纖陀螺信號檢測的主要目的是從強(qiáng)噪聲中取出弱信號。對開環(huán)系統(tǒng)，則主要是檢測出由于光纖環(huán)旋轉(zhuǎn)而引入的相位變化，為獲得大動態(tài)范圍和好的標(biāo)度因數(shù)線性度，還必須對開環(huán)輸出信號進(jìn)行處理或建立閉環(huán)系統(tǒng)。簡介 光纖水聽器是一種建立在光纖、光電子技術(shù)基礎(chǔ)上的水下聲信號傳感器。它通過高靈敏度的光纖相干檢測，將水聲

14、信號轉(zhuǎn)換成光信號，并通過光纖傳至信號處理系統(tǒng)提取聲信號信息。 光纖水聽器主要用于海洋聲學(xué)環(huán)境中的聲傳播、噪聲、混響、海底聲學(xué)特性、目標(biāo)聲學(xué)特性等的監(jiān)測。它既可用于海洋、陸地石油天然氣勘探，也可用于海洋、陸地地震波檢測以及海洋環(huán)境檢測，它又是現(xiàn)代海軍反潛作戰(zhàn)及水下兵器試驗的先進(jìn)檢測手段。 光纖水聽器與傳統(tǒng)水聽器相比，在未來的聲納系統(tǒng)中作為接收陣列顯示了更大的吸引力。它可以將大量單元的信號經(jīng)由一單根光纖傳輸?shù)拇笠?guī)模成陣的能力并具有水聽器單元設(shè)計的靈活性。另外，它還具有靈敏度高，響應(yīng)的帶寬寬，單元及信號傳輸不受電磁干擾的影響等重要特點。 2.3.2 光纖水聽器1光纖水聽器原理 光纖水聽器按原理可分為

15、干涉型、光柵型等。干涉型光纖水聽器關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成熟，在部分領(lǐng)域已經(jīng)形成產(chǎn)品，而光纖光柵水聽器則是當(dāng)前光纖水聽器研究的熱點。（1）.干涉型光纖水聽器原理 干涉型光纖水聽器是基于光學(xué)干涉儀的原理構(gòu)造的。 圖1是基于Michelson光纖干涉儀光纖水聽器的原理示意圖。 由激光器發(fā)出的激光經(jīng)3dB光纖耦合器分為兩路:一路構(gòu)成光纖干涉儀的傳感臂,接受聲波的調(diào)制,另一路則構(gòu)成參考臂,提供參考相位. 兩束波經(jīng)后端反射膜反射后返回光纖耦合器,發(fā)生干涉,干涉的光信號經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)過信號處理就可以拾取聲波的信息。圖1 基于Michelson光纖干涉儀光纖水聽器 圖2是基于Mach-Zehnd

16、er光纖干涉儀光纖水聽器的原理示意圖. 激光經(jīng)3dB 光纖耦合器分為兩路,分別經(jīng)過傳感臂與參考臂,由另一個耦合器合束發(fā)生干涉,經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換后拾取聲信號。圖2 基于Mach-Zehnder光纖干涉儀光纖水聽器2).光纖光柵型光纖水聽器原理 該型水聽器基于光纖布拉格光柵反射波長隨外界應(yīng)力變化而移動原理，由于可在1根光纖上刻寫多個光纖光柵，易構(gòu)成準(zhǔn)分布式傳感。當(dāng)寬帶光源（BBS）輸出光波經(jīng)光纖布拉格光柵（FBG）時，波長滿足該條件的光波將被反射，其余則透射effBn2式中：B為FBG 的中心反射波長；neff 為纖芯有效折射率，為光柵柵距。當(dāng)傳感光柵周圍應(yīng)力隨水中聲壓變化時，將導(dǎo)致neff或的變

17、化，從而產(chǎn)生傳感光柵相應(yīng)的中心反射波長偏移。 即實現(xiàn)水聲聲壓對反射信號光的波長調(diào)制。據(jù)檢測中心反射波長偏移，再根據(jù)neff、與聲壓間的線性關(guān)系，即可獲得聲壓變化信息。 偏移量為effeffnnB222 光纖水聽器的特點(1). 低噪聲特性. 光纖水聽器采用光學(xué)原理構(gòu)成,靈敏度高,由于噪聲低的特性決定了其可檢測的最小信號比傳統(tǒng)壓電水聽器要高2 3 個數(shù)量級,這使弱信號探測成為可能.(2). 動態(tài)范圍大. 壓電水聽器的動態(tài)范圍一般在8090dB , 而光纖水聽器的動態(tài)范圍可以到120140dB.(3). 抗電磁干擾與信號串?dāng)_能力強(qiáng). 全光光纖水聽器信號傳感與傳輸均以光為載體,幾百兆赫以下的電磁干擾

18、影響非常小,各通道信號串?dāng)_也十分小。(4).適于遠(yuǎn)距離傳輸與組陣. 光纖傳輸損耗小,適于遠(yuǎn)距離傳輸. 光纖水聽器采用頻分、波分及時分等技術(shù)進(jìn)行多路復(fù)用,適于水下陣列的大規(guī)模組陣.(5).信號傳感與傳輸一體化,提高系統(tǒng)可靠性.激光由光源發(fā)出,經(jīng)光纖傳輸至光纖水聽器,并在拾取聲信號后再經(jīng)光纖傳回到岸上或船上的信號處理設(shè)備,水下無電子設(shè)備. 另外,光纖對水密性要求低,耐高溫、抗腐蝕,這些都將大大提高系統(tǒng)的可靠性.(6).工程應(yīng)用條件降低. 采用全光光纖水聽器的聲納系統(tǒng),探測纜及傳輸纜皆為光纜,重量輕體積小,系統(tǒng)容易收放,使過去無法實現(xiàn)的方案成為可能,特別對拖曳陣列,由于工程應(yīng)用條件的降低而使許多問題

19、簡單化。3 光纖水聽器的應(yīng)用 光纖水聽器主要是用于海洋聲學(xué)環(huán)境中的聲傳播、噪聲、混響、海底聲學(xué)特性、目標(biāo)聲學(xué)特性等的監(jiān)測。通過光纖傳感與傳輸組合,可構(gòu)成水下目標(biāo)搜索、預(yù)警、探測和識別的陣列系統(tǒng)。光纖水聽器由于采用光纖作為信息載體,適宜遠(yuǎn)距離、大范圍監(jiān)測,是現(xiàn)代海軍反潛作戰(zhàn)及水下兵器試驗的先進(jìn)檢測手段。 隨著各種先進(jìn)技術(shù)在潛艇制造工藝中的應(yīng)用,現(xiàn)代潛艇在水下運行時噪音不斷降低,這給反潛作戰(zhàn)帶來巨大的挑戰(zhàn)。目前大量裝備的傳統(tǒng)壓電型水聽器靈敏度已不能滿足水聲探測的實戰(zhàn)需要,而且由于壓電材料物理本質(zhì)的原因,性能也難有較大的改進(jìn),而光纖傳感器技術(shù)的發(fā)展,為研制高性能的水聽器提供了技術(shù)可能性。2.3.3光

20、纖光柵傳感器 光纖光柵是利用光纖中的光敏性(也稱為光致折射率變化效應(yīng))制成的。 光纖光柵實質(zhì)上是一種波長選擇反射器，它的反射信號波長會受施于其上的溫度和應(yīng)變的影響而發(fā)生變化，這種反射波長的變化稱之為波長位移。 利用光纖光柵的溫度和應(yīng)變兩種效應(yīng)，即采用光纖光柵做敏感元件，可以檢測許多物理量。圖1 光纖光柵傳感器的應(yīng)用框n如圖1所示，光纖光柵在傳感技術(shù)中應(yīng)用前景十分廣泛，尤其是利用光纖應(yīng)變敏感性間接測量物理量方面大有發(fā)展?jié)摿?。光纖光柵的結(jié)構(gòu)及傳感原理利用紫外激光的干涉條紋在一個較小的長度范圍內(nèi)照射具有光敏性的光纖，可使該段光纖芯的折射率發(fā)生周期性的改變，從而形成光纖布拉格光柵，如圖2所示當(dāng)寬帶光源

21、射入具有這種光柵的光纖時，光譜中以光柵的布拉格波長為中心的窄光譜在光柵處被反射，其他大部分將透射而沿原來方向傳輸。圖2 全息法在光纖內(nèi)制作光纖布拉格光柵的示意圖當(dāng)光柵發(fā)生應(yīng)變時，由于彈性變形光柵的周期將發(fā)生改變，并且由于光彈效應(yīng)使纖芯的折射率變化，這將引起中心波長的改變。光柵中心波長的改變與光柵溫度的改變成良好的線性關(guān)系。測定光柵的中心波長的改變量，即可計算應(yīng)變和(或)溫度。通過適當(dāng)轉(zhuǎn)換，這一現(xiàn)象就可以用來傳感多種物理量和化學(xué)量等。由相位變化量可以得到波長偏移量，進(jìn)而獲得溫度或壓力信息。例如通過實時測量應(yīng)力、溫度、振動等傳感信息，以同時進(jìn)行建筑物健康檢測、沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測時，光

22、纖光柵傳感器是最理想的靈敏元件。光纖光柵傳感器的應(yīng)用某些類型的光纖光柵傳感器已經(jīng)商業(yè)化，雖然其在性能和功能方面需要不斷提高，但可以說光纖光柵傳感技術(shù)已開始向成熟階段接近，目前對于光纖光柵傳感的研究主要致力于實用和廉價解調(diào)系統(tǒng)的研究。這里分幾個部分介紹光纖光柵傳感器在地球動力學(xué)、航天器和船舶航運、民用工程結(jié)構(gòu)、電力工業(yè)、醫(yī)藥和化學(xué)傳感中的應(yīng)用。在地球動力學(xué)中的應(yīng)用在地震檢測等地球動力學(xué)領(lǐng)域中，地表驟變等現(xiàn)象的原理及其危險性的估定和預(yù)測是非常復(fù)雜的，而火山區(qū)的應(yīng)力和溫度變化是目前為止能夠揭示火山活動性及其關(guān)鍵活動范圍演變的最有效手段。光纖光柵傳感器在這一領(lǐng)域中的應(yīng)用主要是在巖石變形、垂直震波的檢測

23、以及作為地形檢波器和光學(xué)地震儀使用等方面?；顒訁^(qū)的應(yīng)變通常包含靜態(tài)和動態(tài)兩種。光纖光柵傳感器是能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離和密集排列復(fù)用傳感的寬帶、高網(wǎng)絡(luò)化傳感器，符合地震檢測等的要求，因此它在地球動力學(xué)領(lǐng)域中無疑具有較大的潛在用途。在航天器及船舶中的應(yīng)用先進(jìn)的復(fù)合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好，而且可以減輕船體或航天器的重量，對于快速航運或飛行具有重要意義，因此復(fù)合材料越來越多地被用于制造航空航海工具(如飛機(jī)機(jī)翼) 。為全面地衡量船體的健康狀況，需要了解其不同部位的變形力矩、剪切壓力、甲板所受的抨擊力，對于普通船體大約需要100個傳感器，因此波長復(fù)用能力極強(qiáng)的光纖光柵傳感器最適合于船體檢測。光纖光柵傳感系統(tǒng)可測

24、量船體的彎曲應(yīng)力，而且可測量海浪對濕甲板的抨擊力。另外，為了監(jiān)測一架飛行器的應(yīng)變、溫度、振動、起落駕狀態(tài)、超聲波場和加速度情況，通常需要100多個傳感器，故傳感器的重量要盡量輕，尺寸盡量小，因此最靈巧的光纖光柵傳感器是最好的選擇。在民用工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用民用工程的結(jié)構(gòu)監(jiān)測是光纖光柵傳感器最活躍的領(lǐng)域。力學(xué)參量的測量對于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等的維護(hù)和健康狀況監(jiān)測是非常關(guān)鍵。通過測量上述結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布，可以預(yù)知結(jié)構(gòu)局部的載荷及健康狀況。光纖光柵傳感器可以貼在結(jié)構(gòu)的表面或預(yù)先埋入結(jié)構(gòu)中，對結(jié)構(gòu)同時進(jìn)行健康檢測、沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等，以監(jiān)視結(jié)構(gòu)的缺陷情況。另外，多個光纖光柵傳感器

25、可以串接成一個傳感網(wǎng)絡(luò)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)分布式檢測，可以用計算機(jī)對傳感信號進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在電力工業(yè)中的應(yīng)用光纖光柵傳感器因不受電磁場干擾和可實現(xiàn)長距離低損耗傳輸，從而成為電力工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。電線的載重量、變壓器繞線的溫度、大電流等都可利用光纖光柵傳感器測量。在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用傳感器的小尺寸在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是非常重要的，因為小的尺寸對人體組織的傷害較小，光纖光柵傳感器是目前為止能夠做到的最小的傳感器。光纖光柵傳感器能夠通過最小限度的侵害方式測量人體組織內(nèi)部的溫度、壓力、聲波場的精確局部信息。到目前為止，光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)成功地檢測了病變組織的溫度和超聲波場,這為研究病變組織提供了有用的信息。光纖光柵傳

26、感器還可用來測量心臟頻率。在這種方法中，醫(yī)生把嵌有光纖光柵的熱稀釋導(dǎo)管插入病人心臟的右心房，并注射入一種冷溶液，可測量肺動脈血液的溫度，結(jié)合脈功率就可知道心臟的血液輸出量，這對于心臟監(jiān)測是非常重要的。新加坡南洋理工大學(xué)已經(jīng)為國家總醫(yī)院研制了一種光纖光柵壓力傳感器，幫助醫(yī)生對病人進(jìn)行外科手術(shù)校正。四 光纖傳感器的應(yīng)用 光纖傳感器的應(yīng)用開發(fā)根據(jù)當(dāng)前的應(yīng)用熱點領(lǐng)域和技術(shù)類型大致分為如下方向： 1 光(纖)層析成像分析技術(shù)OCT; 2 光纖智能材料(SMART MATERIAL); 3 常規(guī)工業(yè)工程傳感器。光(纖)層析成像分析技術(shù)OCT 光纖層析成像分析技術(shù)從興起到應(yīng)用不過只有二、三十年的時間，根據(jù)不

27、同的原理和應(yīng)用場合，可將光纖層析技術(shù)分為光相干層析成像分析(OCT)和光過程層析成像分析技術(shù)(OPT)。 光層析成像技術(shù)源于X射線層析成像分析(CT)。其基本原理如圖1所示。當(dāng)X射線或光線傳輸經(jīng)過被測樣品時，不同的樣品材料對射線的吸收特性不同，因此對經(jīng)過樣品的射線或光線進(jìn)行測量、分析，并根據(jù)預(yù)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計進(jìn)行解算就可以得到所需要的樣品參數(shù)。 圖1 CT 的基本原理 光纖相干層析成像技術(shù)（OCT）主要應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域，如視網(wǎng)膜掃描、胃腸內(nèi)視和用于實現(xiàn)彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。其工作原理基于光的相干檢測原理，基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 光相干層析成像系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

28、OCT為生物細(xì)胞和機(jī)體的活性檢測提供了一種有效的方式，世界上有許多國家都開發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品。圖3為視網(wǎng)膜的CT掃描圖像。德國的科學(xué)家近期推出了一臺可用作皮膚癌診斷的OCT設(shè)備。此外，利用OCT可以實現(xiàn)深度測量（1mm）的優(yōu)勢，已有實例應(yīng)用于對生長中的細(xì)胞進(jìn)行觀察和監(jiān)測中。 圖3 眼科視網(wǎng)膜CT掃描圖像 而OPT則面向工業(yè)工程油井、管線等場所，高精度地解決流體的過程測量問題。由于OPT所關(guān)心的是光線路徑上的積分過程，因此相關(guān)的系統(tǒng)集成設(shè)計、測量理論分析中的單元分割與信號處理都是關(guān)鍵。 圖4簡單描繪了傳統(tǒng)OPT的測量原理。由于OPT具有適用于狹小的或不規(guī)則的空間、安全性高、測量區(qū)域不受電磁干擾以及可

29、組成測量網(wǎng)絡(luò)的多項優(yōu)點，為工業(yè)過程的安全測量提供了一種優(yōu)良的手段。圖4 OPT基本測量原理智能材料 智能材料的提出和研究已有相當(dāng)長的一段時間，為業(yè)內(nèi)人士所熟悉。智能材料是指將敏感元件嵌入被測構(gòu)件機(jī)體和材料中，從而在構(gòu)件或材料常規(guī)工作的同時實現(xiàn)對其安全運轉(zhuǎn)、故障等的實時監(jiān)控。其中，光纖和電導(dǎo)線與多種材料的有效結(jié)合是關(guān)鍵問題之一，尤其是實現(xiàn)與紡織材料的自動化編織。美國南卡羅來那州立大學(xué)、佛吉尼亞理工大學(xué)和費城紡織學(xué)院都在此方面進(jìn)行了大量工作。 圖5展示了一件嵌入光纖和電導(dǎo)線的背心。其中光纖和電導(dǎo)線的嵌入均已實現(xiàn)了自動化，為智能型服裝的商業(yè)化解決了又一難題。圖5 智能背心工業(yè)工程類傳感器 傳統(tǒng)的工業(yè)

30、工程類傳感器包括應(yīng)用光纖的電光和磁光效應(yīng)進(jìn)行測量的電力工業(yè)用大電壓、電流傳感器。圖6為加拿大BC水電站所安裝NXVCT的照片。圖6 安裝與加拿大BC水電站的NXVCT 在許多特殊場合核工業(yè)、化工和石油鉆探中都應(yīng)用了監(jiān)測傳感系統(tǒng)。圖7是安裝了嵌入式FBG溫度傳感器陣列的發(fā)電機(jī)定子。光纖傳感器系統(tǒng)正日益走向成熟，并逐步融入日常的生產(chǎn)和生活之中。圖7 安裝嵌入式FBG溫度傳感器陣列的發(fā)電機(jī)定子光纖傳感器有待研究的課題雖然如此，光纖傳感技術(shù)的現(xiàn)狀仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實際需要，還有許多有待研究的課題：傳感器的實用化研究。提高傳感系統(tǒng)，尤其是傳感器的性價比；傳感器的應(yīng)用研究。在現(xiàn)有的科研成果基礎(chǔ)上，大力開展應(yīng)

31、用研究和應(yīng)用成果宣傳；新傳感機(jī)理的研究，開拓新型光纖傳感器；傳感器用特殊光纖材料和器件的研究,例如：增敏和去敏光纖、熒光光纖、電極化光纖的研究等。這一切都需要科研人員不斷的努力。3.1 光纖位移傳感器光纖位移傳感器反射式光纖位移傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示。根據(jù)被測目標(biāo)表面光反射反射式光纖位移傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示。根據(jù)被測目標(biāo)表面光反射至接收光纖束的至接收光纖束的光強(qiáng)度的變化光強(qiáng)度的變化來測量被測表面距離的變化。來測量被測表面距離的變化。mmd127. 0三 光纖的應(yīng)用典典型位移輸出曲線如圖所示。在型位移輸出曲線如圖所示。在輸出曲線的前坡區(qū)輸出曲線的前坡區(qū)I,I,輸出信號強(qiáng)度輸出信號強(qiáng)度增加得很快增加得很

32、快, ,這一區(qū)域可以用于微這一區(qū)域可以用于微米級的位移測量。在后坡區(qū)米級的位移測量。在后坡區(qū)II,II,信信號的減弱約與探頭和被測表面之間號的減弱約與探頭和被測表面之間的距離平方成反比的距離平方成反比, ,可用于距離較可用于距離較遠(yuǎn)而靈敏度、線性度和精度要求不遠(yuǎn)而靈敏度、線性度和精度要求不高的測量。高的測量。反射式光纖位移傳感器反射式光纖位移傳感器的原的原理如右圖。理如右圖。1 1、探頭緊貼被測件時，無光接探頭緊貼被測件時，無光接收沒有電信號。收沒有電信號。2 2、被測表面逐漸遠(yuǎn)離探頭時，、被測表面逐漸遠(yuǎn)離探頭時，有一個有一個線性增長線性增長的輸出信號。有的輸出信號。有一最大輸出值一最大輸出值

33、“光峰點光峰點”。3 3、繼續(xù)遠(yuǎn)離時，輸出信號越來繼續(xù)遠(yuǎn)離時，輸出信號越來越弱，與越弱，與距離平方成反比距離平方成反比。III5 . 01光纖液位傳感器光纖液位傳感器(a)Y型光纖；型光纖；(b)U型光纖；型光纖；(c)棱鏡耦合棱鏡耦合 3.2光纖液面位移傳感器光纖液面位移傳感器由由LED光源，光電二極管（光源，光電二極管（PD），），多模光纖等組成。多模光纖等組成。當(dāng)測頭置于空氣中，沒有接觸液當(dāng)測頭置于空氣中，沒有接觸液面時，光線在圓錐體內(nèi)發(fā)生全內(nèi)面時，光線在圓錐體內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射而返回到光電二極管。反射而返回到光電二極管。當(dāng)測頭接觸液面時，由于液體折當(dāng)測頭接觸液面時，由于液體折射率與空氣不同

34、，全內(nèi)反射被破射率與空氣不同，全內(nèi)反射被破壞，將有部分光線透入液體內(nèi)，壞，將有部分光線透入液體內(nèi)，使返回到光電二極管的光強(qiáng)變?nèi)?；使返回到光電二極管的光強(qiáng)變?nèi)酰环祷毓鈴?qiáng)是液體折射率的線性函返回光強(qiáng)是液體折射率的線性函數(shù)。返回光強(qiáng)發(fā)生突變時，表明數(shù)。返回光強(qiáng)發(fā)生突變時，表明測頭已接觸到液位。測頭已接觸到液位。 防液滴附著的方法 反射膜 突出物上述探頭在接觸液面時能快速響應(yīng)，但在探頭離開液體時，由于有液滴附著在探頭上，故不能立即響應(yīng)。為了克服這個缺點，可將探頭的結(jié)構(gòu)作一些改變，如圖。將光纖端部的尖頂略微磨平，并鍍上反射膜。這樣，即使有液體附著在頂部，也不影響輸出跳變。進(jìn)一步的改進(jìn)是在頂部鍍反射膜外貼上一突出物，將附著的液體導(dǎo)引向突出物的下端。這樣，可以保證探頭離開液位時也能快速地響應(yīng)。浸液自聚透鏡光纖水銀3.3 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器1、水銀式光纖溫度開關(guān)、水銀式光纖溫度開關(guān)簡單類型的光纖溫度傳感器簡單類型的光纖溫度傳感器左圖為一種簡單的利左圖為一種簡單的利用水銀柱升降溫度的用水銀柱升降溫度的光纖溫度開關(guān)。可用