毕业论文《光电传感器技术的新发展及应用》(5)

第四章 光纤传感器 17

第四章 光纤传感器

4.1 光纤传感器的原理和组成

光纤传感器主要由光源、光纤与探测器3部分组成，光源发出的光耦合进光纤，经光纤进入调制区，在调治区内，外界被测参数作用于进入调区内的光信号，是其光学性质如光的强度、相位、偏振态、波长等发生变化成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器而获得被测参数，光纤传感器中的光纤通常由纤芯、包层、树脂涂层和塑料护套组成，纤芯和包层具有不同的折射率，树脂涂层对光纤起保护作用。光纤主要分为两类﹐一是渐变光纤﹐一是跃阶光纤。前者的折射率是渐变的﹐而后者的折射率是突变的。另外还分为单模光纤及多模光纤 近年来﹐又有新的光子晶体光纤问世。依材质：石英玻璃、多组份玻璃、氟化物、塑料、液芯。 依转输方式分：单模、多模级射、多模斜射。 依折射率分：阶跃型、渐变型光纤。依工作波长分：短波长光纤、长波长光纤、超长波长光纤。光纤是基于光的全反射原理而工作的。当入射角 在此范围内时，光在界面产生全反射，并在光纤内部一同样的角度反复逐次反射，知道传播到光纤的另一端面。如果工作需要光纤微弯曲，只要仍满足全反射定律，则光仍然可以继续前进。如果入射角

超出上述范围，则进入光纤的光线便会在截面上发生折射，并透入包层。

4.2 光纤传感器的类型及特点

1、特点：灵敏度高，耐腐蚀，电绝缘，防爆性好，抗电磁干扰，光路可挠曲，易于与电脑连接，便于遥测等；而且：结构简单，尺寸小，质量轻，频带宽，可进行温度、应变、压力等多种参数的分布式测量。因此自从光纤传感技术随着光纤通信技术的发展逐步形成之后，它就得到了深入的研究和广泛的应用，现今光纤传感器已经能够对温度、压力、温度、振动、电流、电压、磁场等物理量进行测定，其应用范围深入至国防军事、航天航空、土木工程、电力、能源、环保 医学等，发展空间相当广阔！

2、分类：

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①按光纤传感器中光纤的作用可分为传感型和传光型两种类型。

传感型光纤传感器又称为功能型光纤传感器，主要使用单模光纤，光纤不仅起传光作用，同时又是敏感元件，它利用光纤本身的传输特性经被测物理量作用而发生变化的特点，使光波传导的属性(振幅、相位、频率、偏振)被调制。因此，这一类光纤传感器又分 为光强调制型，偏振态调制型和波长调制型等几种。对于传感型光纤传感器，由于光纤本身是敏感元件，因此加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度。

传光型光纤传感器又称非功能型光纤传感器，它是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后，通过在输出段进行光信号处理而进行测量的。在这类传感器中，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治的敏感元件才能组成传感元件

②光纤传感器根据其测量范围还可分为点式光纤传感器，分布式光纤传感器。 单点光纤传感器，只能对某一点做连续测量，分布式光纤传感器是理想的结构应变分布的监测器 ,它能在对结构无损伤的情况下 ,利用光导纤维具有的传感运输双重特性，迅速实现对待测场沿光纤分布的多点甚至连续点测量，以达到取代多台独立点传感器的目的。分布式光纤系统的基本原理为：光源发出脉冲光经分光束进入光纤，光纤中的背向散射光经分光束耦合进入调制器，调制器把待测对广播参数的调制变成功率的变化并进入光点检测器。根据背向散射光的功率及其相对于注入光脉冲的时延可以得出测场沿光纤的分布。

4.3 光纤传感器的应用领域

1、在航天器及船舶中的应用

先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好，而且可以减轻船体或航天器的重量，对于快速航运或飞行具有重要意义，因此复合材料越来越多地被用于制造航空航海工具(如飞机的机翼)。 为全面衡量船体的状况，需要了解其不同部位的变形力矩、剪切压力、甲板所受的抨击力，对于普通船体大约需要100个传感器，因此波长复用能力极强 的光纤光栅传感器最适合于船体检测。光纤光栅传感系统可测量船体的弯曲应力，而且可测量海浪对湿甲板的抨击力。具有干涉探测性能的16路光纤光栅复用系统 成功实现了在带宽为5kHz范围内、分辨率小于

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10nε/(Hz)1/2的动态应变测量。另外，为了监测一架飞行器的应变、温度、振动、起落驾驶状态、超声波场和加速度情况，通常需要100多个传感器，故传感器的重量要尽量轻，尺寸尽量小，因 此最灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。另外，实际上飞机的复合材料中存在两个方向的应变，嵌人材料中的光纤光栅传感器是实现多点多轴向应变和温度测量的理想智能元件。 2、在民用工程结构中的应用

民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的。通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及状况。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检 测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。 ①光纤传感器在温度测试中的应用

它是利用光在光纤中传输能够产生后向散射，在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，那么它在光纤中传输的同时不断产生后向散射光波，这些后向散射光波的状态受到所在光纤散射点的温度影响而有所改变，将散射回来的光波经波分复用、检测解调后，送入信号处理系统便可将温度信号实时显示出来，并且由光纤中光波的传输速度和背向光回波的时间对这些信息定位 ②光纤传感器在裂缝监测中的应用

当地下深部发生变形时，必将挤压砂浆体产生相应形变，导致裂缝或滑移（错动）的产生，进而引起埋入光纤的微弯，该处的微弯将破坏光波导的全反射条件，使光损耗增加，产生衰减，利用光纤监测地下深部变形，就是基于微弯衰减的传感机制。埋入洞内的光纤，全部是传感部分，受深部变形作用，光纤产生微弯或挠曲，致使光损耗增大；OTDR检测到全过程的散射光强分布。（OTDR是一种用于光纤通信故障定位的技术，现在普遍运用于分布式光纤传感器系统中） ③光纤传感器在光纤光缆中的应用

光缆通信在我国已有20多年的使用历史，这段历史也就是光通信技术的发展史和光纤光缆的发展史。光纤光缆在我国的发展可以分为这样几个阶段：对光缆可用性的探讨；取代市内局间中继线的市话电缆和PCM电缆；取代有线通信干线上的高频对称电缆和同轴电缆。这两个取代应该说是完成了；现正在取代接入网

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的主干线和配线的市话主干电缆和配线电缆，并正在进入局域网和室内综合布线系统。目前，光纤光缆已经进入了有线通信的各个领域，包括邮电通信、广播通信、电力通信和军用通信等领域。 ④光纤传感器在智能大桥中的应用

它是将传感元件、驱动元件以及信息处理控制系统集成于主体材料中 ,使制成的构件不仅具有承受载荷、传递运动的能力 ,而且具有检测多种参数 (如应力、应变、损伤、温度、压力等 )、分析、处理及控制等多种功能。它出现时间不长 ,但已成为目前国内外研究的热点。具有智能材料结构特点的智能桥梁能对 智能材料结构的动作流程图桥梁的施工质量、运营中的应力状态以及其它多种参数进行长期实时在线监测 ,并根据对大量传感信息的实时综合分析采取适当、及时的控制措施 ,因而可以极大地提高工程结构的安全性和可靠性 ,避免灾难性事故的发生。

3、在电力工业中的应用

光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可实现长距离低损耗传输，从而成为电力工业应用的理想选择。电线的载重量、变压器绕线的温度、大电流等都可利用光纤光栅传感器测量。 4、在医学中的应用

光纤光栅传感器还可用来测量心脏的效率。在这种方法中，医生把嵌有光纤光栅的热稀释导管插入病人心脏的右心房，并注射人一种冷溶液，可测量肺动脉血液的温度，结合脉功率就可知道心脏的血液输出量，这对于心脏监测是非常重要的。

5、在化学传感中的应用

光纤光栅传感器可用于化学传感，因为光栅的中心波长随折射率的变化而变化，而光栅间倏失波的相互作用以及环境中的化学物质的浓度变化都会引起折射率的变化。

4.4 光纤传感器（FOS）应用原理

光纤传感器一般由光源、光导纤维、光传感器元件、光调制机构和信号处理器等部分组成。其工作原理是：光源发出的光经光导纤维进入光传感元件，而在

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光传感元件中受到周围环境场的影响而发生变化的光再进入光调制机构，由其将传感元件测量检测的参数调制成幅度、相伴、偏振等信息，这一过程也称为光电转换过程，最后利用微处理器如频谱仪等等进行信号处理。其结构如17图所示：

图17 光纤传感器的结构图

被测量 光纤 电信号 信号输出 光源 传感头 光电转换 信号处理 如前所述可以看出光纤传感器的传感机理表面上与电磁类传感器有着相似的思路，只不过电磁类传感器的电线或者测量空间的信息传播载体是电磁波而光导纤维中的载体是光波，然而也正是由于光波不同于电磁波的独特性质使其具有以下几个突出的优点：①利用不导电的玻璃纤维制成，其信息传播载体是光子而不是电子，故无电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）的影响，可在各种电磁场复杂的环境中不受影响的工作；②有较大的灵活性，可制成各种形状，并可用于各种危险、恶劣环境和探测微细变化；③其光信号不仅能直接感知，而且可与高度发展的电子装置相匹配，帮助其实现智能化、多功能化和远距离的实时监控。

光纤传感器有三种分类方法：

1、按光纤与光的作用机理分，可分为本征型和非本征型，前者是利用光纤直接与环境中的光相互作用来调制光信号，适用于测量转速、加速度、声源、压力和振动等；后者则是将光纤作为传送和接收光的通道，然后在光纤外部调制光信号，适用于测量纯属和角度位置、温度、液位及过程控制中的流量等。

2、按光纤内传输的模式数量分，可分为单模器件和多模器件。前者的纤芯很细，能大大降低信号的失真和损失程度；后者能传输更多的光，但由于具有多个通道，并对入射光的散射点数和存在模式色散，所以损失的信号较多，信号的失真也较严重。

3、按信号在光纤中被调制的不同方式分，还可将光纤传感器分为强度调制、相伴调制、偏振态调制、频率调制和波长调制等多种不同类型。

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