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光纤传感器的原理、分类、特点以及技术热点和类型
发布时间:2021-07-16   点击次数:210次

随着现代科学技术的发展,信息的获得显得越来越重要。传感器正是感知、检测、监控和转换信息的重要技术手段。光纤传感器是继光学、电子学为一体的新型传感器。

 

光纤传感器是利用光导纤维的传光特性,把被测量转换为光特性(强度、相位、偏振态、频率、波长)改变的传感器。它是将来自光源的光经过光纤送入调制器,使待测参数与进入调制区的光相互作用后,导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化,称为被调制的信号光,在经过光纤送入光探测器,经解调后,获得被测参数。

 

与以往的传感器不同,光纤传感器将被测信号的状态以光信号的形式取出。光信号不仅能被人所直接感知,利用半导体二极管如光电二极管等小型简单元件还可以进行光电、电光转换,极易与一些电子装配相匹配,;另外光纤不仅是一种敏感元件,而且是一种优良的低损耗传输线。因此,光纤传感器还可用于传统的传感器所不适用的远距离测量。

 

光纤传感包含对外界信号(被测量)的感知和传输两种功能。所谓感知,是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量,如强度(功率)、波长、频率、相位和偏振态等发生变化,测量光参量的变化即感知外界信号的变化。这种感知实质上是外界信号对光纤中传播的光波实施调制。所谓传输,是指光纤将受外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测,将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理,也就是解调。

 

因此,光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术,即外界信号(被测量)如何调制光纤中的光波参量的调制技术(或加载技术)及如何从已被调制的光波中提取外界信号(被测量)的解调技术(或检测技术)

 

光纤传感器的基本原理

 

光纤( Optical Fiber)是光导纤维的简称,光纤的主要成份为二氧化硅,由折射较高的纤芯、折射率较低的包层及保护层组成。纤芯为直径大约0.1 mm左右的细玻璃丝,把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。光纤传感器的发现起源于探测光纤外部扰动的实践,在实践中,人们发现当光纤受到外界环境的变化时,会引起光纤内部传输光波参数的变化,而这些变化与外界因素成一定规律,由此发展出光纤传感技术。

 

光纤对许多外界参数有一定的敏感效应。研究光纤传感原理就是研究如何应用光纤的这些效应,研究光在调制区内与外界被测参数的相互作用,实现对外界被测参数的“传"和“感"的功能,这是光纤传感器的核心。

 

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在光通信系统中,光纤被用作远距离传输光波信号的媒质。显然,在这类应用中,光纤传输的光信号受外界干扰越小越好。但是,在实际的光传输过程中,光纤易受外界环境因素影响,如温度、压力、电磁场等外界条件的变化,将引起光纤光波参数如光强、相位、频率、偏振、波长等的变化。因此,人们发现如果能测出光波参数的变化,就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小,于是产生了光纤传感技术。光纤传感技术是用光纤对某些物理量的敏感特性,将外界物理量转换成可以直接测量的信号的技术。由于光纤不仅可以作为光波的传播媒质,而且由于光波在光纤中传播时表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素(如温度、压力、应变、磁场、电场、位移、转动等)的作用而直接或间接发生变化,从而也可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。

 


上图是光纤传感器的原理结构图。光纤传感器通常由光源、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成。光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等参量在光纤传输中都可能会受外界影响而发生改变,特别如温度、压力、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、弯曲、应变以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时,都会使这些参量发生相应变化。光纤传感器就是根据这些参量随外界因素的变化关系来检测各相应物理量的大小。

 

光纤传感器的特点

 

与传统的传感器不同,光纤优良的物理、化学、机械以及传输性能,使光纤传感器具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度很高、测量带宽很宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点,并可以构成传感网络。

 

先进的光纤传感器的灵敏度比传统的传感器高几个数量级,可以测量的物理量已达70多种。总结起来它具有一下几个优点:

 

1、精度高,响应速度快,线性特征范围宽,使用的重复性好,检测信号的信噪比高,由于现在光纤的量产化,价格低廉,可以广泛使用。

 

2、光纤是由电介质材料石英制成,传输的是光信号,因此安全性、可靠性好,抗电磁干扰能力强,能适应在电力、石油、化工、冶金等易燃易爆或有毒的环境条件下工作。

 

3、抗腐蚀,抗污染能力强,可用于温差较大的地方,时间时间老化特性优良,工作寿命长。

 

4、体积小,重量轻,容易安装,对被测对象环境适应能力强。

 

5、光纤是无源器件,自身独立性好,不会破坏被测量的状态。

 

6、测量对象广泛。目前已有性能不同的多种测量温度、压力、位移、速度、液面、核辐射等各种物理量、化学量、生物量等的光纤传感器。

 

7、便于多点复用、传输损耗小,适合于组成测量网络,实现多点实时智能化的遥测。

 

光纤传感器的分类及应用原理

 

根据调制区与光纤的关系,可将调制分为三大类:

 

传光型光纤传感器

 

传光型光纤传感器也称非功能型光纤传感器或强度调制型光纤传感器,光纤主要起传输光波的作用,传光型光纤传感器主要由光源、光纤、光调制器、敏感元件、光电探测器、检测电路等组成。传光型光纤传感器的基本原理是待测物理量引起光纤中的传输光光强I变化,通过光强I的检测实现对待测物理量的测量。

 

强度调制的特点是简单、可靠、经济。强度调制的方式很多,主要有反射式强度调制(如图1所示)和透射式强度调制(如图2所示)

 

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1反射式强度调制原理图

 

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2透射式强度调制原理图

 

传感型光纤传感器

 

传感型光纤传感器也称功能型光纤传感器,光纤既传光又传感,即还充当敏感元件。对于传感型光纤传感器而言,当光在光纤中传播时,被测物理量或外界因素作用在光纤上,使得光纤中传输光的振幅、相位、波长、偏振态等发生改变,此过程为光调制,调制后的光经光纤传输到光电探测器解调后转换成电信号输出。

 

传感型光纤传感器的原理比传光型光纤传感器的复杂得多,它利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件,将""合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用,而且利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下,其光强、相位、偏振态等光学特性的变化来实现""的功能。此外,传感器中光纤是连续的,由于光纤连续,增加其长度,可提高灵敏度。传感型光纤传感器应用最多的是相位调制型光纤传感器或者干涉型光纤传感器,,即外界因素使光纤中传输光的相位变化,进而改变出射光(干涉光)的强度变化来达到测量目的。

 

常用的干涉型光纤传感器有Michelson干涉式光纤传感器、Mach-Zehnder干涉式光纤传感器、Fabry-Perot(F-P)干涉式光纤传感器、Sagnac干涉式光纤传感器、Fizeau干涉式光纤传感器等。干涉型光纤传感器是高精度光纤传感与测量技术的最佳选择。

 

拾光型光纤传感器

 

拾光型光纤传感器该类传感器用光纤作为探头,接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。

 

光纤传感器按被测对象,又可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等。

 

光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为光强调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。

 

振幅调制传感型光纤传感器

 

利用外界因素引起的光纤中光强的变化来探测物理量等各种参量的传感器称为振幅调制传感型光纤传感器。改变光纤中光强的方法有多种,而改变光纤的微弯状态就是其中一种。光纤微弯传感器就是利用光纤中的微弯损耗来探测外界物理量的变化。它是利用多模光纤在受到微弯时,一部分芯模能量会转化为包层模能量这一原理,通过测量包层模能量或芯模能量的变化来测量位移或振动等。其原理图如图所示。

 

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激光束经扩束、聚焦输入多模光纤。其中的非导引模由杂模滤除器去掉,然后在变形器作用下产生位移,光纤发生微弯的程度不同时,转化为包层模式的能量也随之改变。变形器由测微头调整至某一恒定变形量;待测的交变位移由压电陶瓷给出。实验表明,该装置灵敏度达0.6µV/A(它强烈依赖于多模光纤中的导引模式分布,高阶模越多,越易转化为包层模,灵敏度也就愈高),相当于最小可测试位移为0.01nm,动态范围可望超过100dB

 

相位调制传感型光纤传感器

 

利用外界因素引起的光纤中光波相位的变化来探测物理量等各种参量的传感器称为相位调制传感型光纤传感器。该类传感器主要应用于制成干涉仪,而光纤Sagnac干涉仪就是其中典型的一种。

 

光纤Sagnac干涉仪的基本原理是在由同一光纤绕成的光纤圈中沿反方向前进的两光波,在外界因素作用下产生不同的相移。然后,通过干涉效应进行检测。其最典型的应用就是转动传感,及光纤陀螺。由于它没有活动部件,没有非线性效应和低转速时激光陀螺的闭锁区,因而非常有希望制成高性能低成本的器件。

 

下图是光纤Sagnac干涉仪的原理图。用一长为L的光纤,绕成半径为R的光纤圈。一激光束由分束镜分成两束,分别从光纤两个端面输入,再从另一端面输出。两输出光叠加后将产生干涉效应,此干涉光强由光电接收器检测。

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1为激光器;2为光探测器;3为光纤圈

 

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偏振态调制型光纤传感器

 

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1为激光器;2为起偏器;3为物镜;4为传输光纤;5为传感光纤;6为电流导线;

 

7为光探测器;8为偏振棱镜;9为信号处理单元

 

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波长调制型光纤传感器

 

利用外界因素引起的光纤中光波波长的变化来探测物理量等各种参量的传感器称为波长调制传感型光纤传感器。光纤光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器。

 

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光纤传感器按被测对象,又可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等。

 

光纤传感器技术热点

 

当前光纤传感器的研究热点集中于光纤光栅(FBGLPG)型传感器和分布式光纤传感系统两大板块。

 

FBG型光纤传感器自发明之日起,已走过了原理性研究和实验论证阶段。目前成熟的FBG制作工艺已可形成小批量生产能力,而研究的焦点也转向解决高精度应用,完善解调和复用技术,以及降低成本等几个方向上。另一方面,由于光纤传感器具有将传输与传感媒质合而为一的特性,使得沿布设路径上的光纤可全部成为敏感元件,因此,分布式传感成为光纤传感器与生俱来的优点。

 

光纤布拉格光栅

 

光纤布拉格光栅FBG1978年问世,这种简单的固有传感元件,可利用硅光纤的紫外光敏性写入光纤芯内,下图为光纤光栅的基本原理。

 

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常见的FBG传感器通过测量布拉格波长的漂移实现对被测量的检测,当宽谱光源入射到光纤中,光栅将反射其中以布拉格波长为中心波长的窄谱分量。光纤光栅除了具备光纤传感器的全部优点之外,还拥有自定标和易于在同一根光纤内集成多个传感器复用的特点。

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光栅传感器可拓展的应用领域有许多,如将分布式光纤光栅传感器嵌入材料中形成智能材料,可对大型构件的载荷、应力、温度和振动等参数进行实时安全监测;光栅也可以代替其它类型结构的光纤传感器,用于化学、压力和加速度传感中。

 

长周期光栅是指周期大于100mm的光栅,也是继FBG之后光纤光栅型传感器的另一个重要分支。由于测量利用包层膜耦合的原理,使其同时具备灵敏度优良和制作简便的优势。

 

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光纤光栅的其它分支还包括啁啾光栅、斜光栅等。

 

分布式光纤传感系统

 

在世界范围内,由于对工民建和工业设施安全性和效益要求的不断提高,对集成的安全检测系统的需求逐步攀升。具备可连续、无间断、长距离测量并与被测量介质有极强的亲和性的分布式光纤传感系统似乎正是为此而量身定做的。

 

分布式光纤传感系统通常有三种类型:拉曼型、布里渊型和FBG型。

 

拉曼型分布式光纤传感系统是基于光纤拉曼散射效应的连续型传感器,其工作原理见图6。三种类型的传感系统的应用都已见诸于报道。其中尤以拉曼型分布式传感系统最为成熟,已成功地装载于A340运输机上。

 

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FBG型分布式传感系统在应力多点分布式测量中有独到的优点,并可同时完成温度和应力的双参量测量,为FBG应用开辟了更为广阔的前景。

 

光纤传感器应用技术类型

 

光纤传感器的应用开发根据当前的应用热点领域和技术类型可大致分为四个大的方向:光(纤)层析成像分析技术OCT、光纤智能材料(SMART MATERIAL)、光纤陀螺与惯导系统、以及常规工业工程传感器。

 

光层析成像技术

 

光纤层析成像分析技术根据不同的原理和应用场合,可将光纤层析技术分为光相干层析成像分析(OCT)和光过程层析成像分析技术(OPT)

 

光层析成像技术源于X射线层析成像分析(CT)。当X射线或光线传输经过被测样品时,不同的样品材料对射线的吸收特性有不同,因此对经过样品的射线或光线进行测量、分析,并根据预定的拓扑结构和设计进行解算就可以得到所需要的样品参数。

 

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光纤相干层析成像技术(OCT)主要应用于生物、医学、化学分析等领域,如视网膜扫描、胃肠内视和用于实现彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。其工作原理基于光的相干检测原理,基本系统结构如图所示。

 

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OCT为生物细胞和机体的活性检测提供了一种有效的方式,世界上有许多国家都开发出相应的产品。图11为视网膜的CT扫描图像。德国的科学家近期推出了一台可用作皮肤癌诊断的OCT设备。此外,利用OCT可以实现深度测量(~1mm)的优势,已有实例应用于对生长中的细胞进行观察和监测中。

 

OPT则面向工业工程-油井、管线等场所,高精度地解决流体的过程测量问题。由于OPT所关心的是光线路径上的积分过程,因此相关的系统集成设计、测量理论分析中的单元分割与信号处理都是关键。由于OPT具有适用于狭小的或不规则的空间、安全性高、测量区域不受电磁干扰以及可组成测量网络的多项长处,为工业过程的安全测量提供了一种优良的手段。

 

智能材料

 

智能材料的提出和研究已有相当长的一段时间,为业内人士所熟悉。智能材料是指将敏感元件嵌入被测构件机体和材料中,从而在构件或材料常规工作的同时实现对其安全运转、故障等的实时监控。其中,光纤和电导线与多种材料的有效结合是关键问题之一,尤其是实现与纺织材料的自动化编织。

 

智能材料作为桥梁、大坝等混凝土大型建筑的监测系统已在国外多处工程中通过安装测试并付诸应用。此外,智能材料在航空航天领域的应用也日趋广泛,尤其是采用光纤光栅和光纤分布式应力、温度测量系统进行恶劣环境条件-高温、变形的多参量监测取得了明显的效果。

 

光纤陀螺及惯性导航系统

 

19801990年的十年中,对系统误差因子和光纤器件的研究取得了显著的进展,新型的SLD光源、保偏光纤及耦合器的采用,以及特殊的绕制技术为陀螺的实用化铺平了道路。上世纪90年代,中级的I-FOG由于采用了消偏结构、3I-FOGEDFA光源等新型光纤器件和技术,实现了成本降低、体积减小和性能提高目的,并率先在航天及军事领域获得应用。例如,美国Honeywell公司为美国jun方制造的用于直升机的三轴惯导系统直径仅为86mm。国际上有些高性能光纤陀螺的漂移指标已达到0.001°/hr,许多产品已经投入民用飞机和汽车工业。未来光纤陀螺在工业领域应用还有更广阔的天地。

 

工业工程类传感器

 

传统的工业工程类传感器包括应用光纤的电光和磁光效应进行测量的电力工业用大电压、电流传感器。利用光纤的弹光效应和FBG器件的应力传感器已被广泛应用于应力监测中。在许多特殊场合-核工业、化工和石油钻探中都应用了监测传感系统。光纤传感器系统正日益走向成熟,并逐步融入日常的生产和生活之中。

 

 

 

 

 

(来源:网络,版权归原作者)


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