光纤传感器是以光学量转换为基础,以光信号为变换和传输的载体,利用光导纤维输送光信号的一种传感器。传感器现正迈向灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化之路。从2012年到2017年间,全球光纤传感器(包括点分式和分布式)消费值的平均年增幅高达20.3%。传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中,光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能,例如:具有抗电磁和原子干扰的性能,径细、质软、重量轻的机械性能:绝缘、无感应的电气性能:耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等,它能够在人达不到的地方,或者对人有害的地区,起到人的耳目的作用,而且还能超越人的生理界限,接收人的感官所感受不到的外界信息。

光纤传感器是以光学量转换为基础,以光信号为变换和传输的载体,利用光导纤维输送光信号的一种传感器。光纤传感器主要由光源、光导纤维(简称光纤)、光检测器和附加装置等组成。光源种类很多,常用光源有钨丝灯、激光器和发光二极管等。光纤很细、较柔软、可弯曲,是一种透明的能导光的纤维。

光纤之所以能进行光信息的传输,是因为利用了光学上的全反射原理,即入射角大于全反射的临界角的光都能在纤芯和包层的界面上发生全反射,反射光仍以同样的角度向对面的界面入射,这样,光将在光纤的界面之间反复地发生全反射而进行传输。附加装置主要是一些机械部件,它随被测参数的种类和测量方法而变化。

然而,美国占据全球光纤传感器的绝大部分市场份额。

光纤传感运用主要分为五大方向:

(1)石油和天然气——油藏监测井下的P/T传感、地震阵列、能源工业、发电厂、锅炉及蒸汽涡轮机、电力电缆、涡轮机运输、炼油厂:

(2)航空航天——喷气发动机、火箭推进系统、机身:

(3)民用基础建设——桥梁、大坝、道路、隧道、滑坡:

(4)交通运输——铁路监控、运动中的重量、运输安全:

(5)生物医学——医用温度压力、颅内压测量、微创手术、一次性探头。

传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中,光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。

光纤传感器是以光学量转换为基础,以光信号为变换和传输的载体,利用光导纤维输送光信号的一种传感器。光纤传感器主要由光源、光导纤维(简称光纤)、光检测器和附加装置等组成。光源种类很多,常用光源有钨丝灯、激光器和发光二极管等。光纤很细、较柔软、可弯曲,是一种透明的能导光的纤维。

光纤传感器的发展现状

全球光纤传感技术发展始于1977年,近年来,在机械、电子仪器仪表、航天航空、石油、化工、食品安全等领域的生产过程自动控制、在线检测、故障诊断等方面,得到了发展和推广。

与光纤通信产品不同,光纤传感产品具有小批量多品种、分布在各种细分市场的特点,国外的确没有大型的专业做光纤传感的企业;但是很多国外的石油巨头、还有ABB、西门子这样的电力设备大企业都有自己的光纤传感业务,只不过外人对这些业务的发展情况很难摸清楚。在一些新兴领域,比如分布式传感,也有一批中小型的专业企业。

目前,市场上获得成熟应用并且接受度较高的产品有:光纤光栅温度/压力/应变传感器;点式荧光光纤温度传感器产品;点式光纤F-P压力/温度/振动传感产品,光纤电流传感产品;光纤陀螺产品;分布式光纤拉曼测温系统;光纤干涉型入侵监测系统。

虽然光纤传感器技术在实际检测中取得了一些应用,但仍存在一些问题,如光纤埋入结构的工艺问题,虽然可以通过安装方式得到改善,但同时也导致了应变要先经过金属传递,然后再由光纤间接感应到应变,因此需要通过实验修正才能够进行准确测量。同时光纤传感器的输出信号会受到光源波动、光纤传输损耗变化、探测器老化等因素的影响,这些因素都会降低光纤传感器测量的准确性。再者目前光纤传感器实用性还有待开发,同时其制作成本相当昂贵。目前光纤传感器很大一部分产品还在实验室阶段,因此需要将实验结果尽快投入到使用中去。

1,光纤传感器的原理

光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。其基本原理是将光源的光经入射光纤送人调制区,光在调制区内与外界被测参数相互作用,使光的光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化而成为被调制的信号光,再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。

光纤传感器按传感原理可分为两类:一类是传光型(非功能型)传感器,另一类是传感型(功能型)传感器。在传光型光纤传感器中,光纤仅作为光的传输媒质,对被测信号的感觉是靠其它敏感元件来完成的,这种传感器中出射光纤和入射光纤是不连续的,两者之间的调制器是光谱变化的敏感元件或其它性质的敏感元件。在传感型光纤传感器中光纤兼有对被测信号的敏感及光信号的传输作用,将信号的“感”和“传” 合而为一,因此这类传感器中光纤是连续的。

由于这两种传感器中光纤所起的作用不同,对光纤的要求也不同。在传光型传感器中光纤只起传光的作用,采用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求,而敏感元件可以很灵活地选用优质的材料来实现,因此这类传感器的灵敏度可以做得很高,但需要较多的光耦合器件,结构较复杂;传感型光纤传感器的结构相对来说比较简单,可少用一些耦合器件,但对光纤的要求较高,往往需采用对被测信号敏感、传输特性又好的特殊光纤。到目前为止,实际中大多数采用前者,但随着光纤制造工艺的改进,传感型光纤传感器也必将得到广泛的应用。

按光在光纤中被调制的原理不同,光纤传感器可分为:强度调制型、相位调制型、偏振态调制型、频率调制型、波长调制型等。迄令为止,光纤传感器能够测定的物理量已达七十多种。

2、光纤传感器特点

与传统的传感器相比,光纤传感器具有独特的优点:

(1) 灵敏度高

由于光是一种波长极短的电磁波,通过光的相位便得到其光学长度。以光纤干涉仪为例,由于所使用的光纤直径很小,受到微小的机械外力的作用或温度变化时其光学长度要发生变化,从而引起较大的相位变化。假设用10米的光纤,l℃的变化引起1000ard的相位变化,若能够检测出的最小相位变化为0.01ard,那么所能测出的最小温度变化为l 0℃ ,可见其灵敏度之高。

(2) 抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全

由于光纤传感器是利用光波传输信息,而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质,并且安全可靠,这使它可以方便有效地用于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中。

(3) 测量速度快

光的传播速度最快且能传送二维信息,因此可用于高速测量。对雷达等信号

的分析要求具有极高的检测速率,应用电子学的方法难以实现,利用光的衍射现象的高速频谱分析便可解决。

(4) 信息容量大

被测信号以光波为载体,而光的频率极高,所容纳的频带很宽,同一根光纤可以传输多路信号。

(5)适用于恶劣环境

光纤是一种电介质,耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰,可用于其它传感器所不适应的恶劣环境中。

此外,光纤传感器还具有质量轻、体积小、可绕曲、测量对象广泛、复用性好、成本低等特点。