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  • 光纤传感技术

    作者:佚名 来源:光行天下整理 时间:2015-02-13 19:31 阅读:7514 [投稿]
    光纤传感技术一问世就受到极大重视,几乎在各个领域得到研究与应用,成为传感技术的先导,推动着传感技术蓬勃发展。

    光纤工作频带宽,动态范围大,适合于遥测遥控,是一种优良的低损耗传输线;在一定条件下,光纤特别容易接受被测量或场的加载,是一种优良的敏感元件;光纤本身不带电,体积小,质量轻,易弯曲,抗电磁干扰,抗辐射性能好,特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。因此,光纤传感技术一问世就受到极大重视,几乎在各个领域得到研究与应用,成为传感技术的先导,推动着传感技术蓬勃发展。

    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(或敏感),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时调制。所谓传输,是指光纤将受到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)。

    外界信号对传感光纤中光波参量进行调制的部位称为调制区。根据调制区与光纤的关系,可将调制分为两大类。一类为功能型调制,调制区位于光纤内,外界信号通过直接改变光纤的某些传输特征参量对光波实施调制。这类光纤传感器称为功能型(FunctionalFiber,简称FF型)或本征型光纤传感器,也成为内调制型传感器,光纤同具“传”和“感”两种功能。于光源耦合的发射光纤同于光探测器耦合的接收光纤为一根连续光纤,称为传感光纤,故功能型光纤传感器亦称全光纤型或传感型光纤传感器。另一类为非功能型调制,调制区在光纤之外,外界信号通过外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制,这类光纤传感器称为非功能型(NonFunctionalFiber,简称NFF)或非本征型光纤传感器,发射光纤与接收光纤仅起传输光波的作用,称为传光光纤,不具有连续性,故非功能型光纤传感器也称传光型光纤传感器或外调制光纤传感器。

    根据被外界信号调制的光波的物理特征参量的变化情况,可将光波的调制分为光强度调制、光频率调制、光波长调制、光相位调制和偏振调制等五种类型。

    由于现有的任何一种光探测器都只能响应光的强度,而不能直接响应光的频率、波长、相位、和偏振调制信号都要通过某种转换技术转换成强度信号,才能为光探测器接收,实现检测。

    光纤传感器的分类

    按光纤在光纤传感器中的作用可分为传感型和传光型两种类型。

    传感型光纤传感器的光纤不仅起传递光作用,同时又是光电敏感元件。由于外界环境对光纤自身的影响,待测量的物理量通过光纤作用于传感器上,使光波导的属性(光强、相位、偏振态、波长等)被调制。传感器型光纤传感器又分为光强调制型、相位调制型、振态调制型和波长调制型等。

    传光型光纤传感器是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后,通过在输出端进行光信号处理而进行测量的,这类传感器带有另外的感光元件对待测物理量敏感,光纤仅作为传光元件,必须附加能够对光纤所传递的光进行调制的敏感元件才能组成传感元件。光纤传感器根据其测量范围还可分为点式光纤传感器、积分式光纤传感器、分布式光纤传感器三种。其中,分布式光纤传感器被用来检测大型结构的应变分布,可以快速无损测量结构的位移、内部或表面应力等重要参数。目前用于土木工程中的光纤传感器类型主要有Math-Zender干涉型光纤传感器,Fabry-pero腔式光纤传感器,光纤布喇格光栅传感器等。

    光纤传感器的特点

    1.高灵敏度,抗电磁干扰。由于光纤传感器检测系统很难受到外界场的干扰,且光信号在传输中不会与电磁波发生作用,也不受任何电噪声的影响,由于这一特征,光纤传感器在电力系统的检测中得到了广泛应用。

    2.光纤具有很好的柔性和韧性,所以传感器可以根据现场检测需要做成不同的形状。

    3.测量的频带宽、动态响应范围大。

    4.可移植性强,可以制成不同的物理量的传感器,包括声场、磁场、压力、温度、加速度、位移、液位、流量、电流、辐射等。

    5.可嵌入性强,便于与计算机和光纤系统相连,易于实现系统的遥测和控制。

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