光纖傳感器的發(fā)展趨勢及應(yīng)用
加入技術(shù)交流群
基本工作原理及應(yīng)用領(lǐng)域
光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。
● 城市建設(shè)中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應(yīng)用。光纖傳感器可預(yù)埋在混凝土、碳纖維增強塑料及各種復(fù)合材料中，用于測試應(yīng)力松馳、施工應(yīng)力和動荷載應(yīng)力，從而評估橋梁短期施工階段和長期營運狀態(tài)的結(jié)構(gòu)性能。
● 在電力系統(tǒng)，需要測定溫度、電流等參數(shù)，如對高壓變壓器和大型電機的定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)的溫度檢測等，由于電類傳感器易受電磁場的干擾，無法在這類場合中使用，只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發(fā)展起來的一種用于實時測量空間溫度場分布的高新技術(shù)，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)不僅具有普遍光纖傳感器的優(yōu)點，還具有對光纖沿線各點的溫度的分布傳感能力，利用這種特點我們可以連續(xù)實時測量光纖沿線幾公里內(nèi)各點溫度，定位精度可達米的量級，測量精度可達1度的水平，非常適用大范圍交點測溫的應(yīng)用場合。
光纖傳感器的分類
光纖傳感器可分兩大類：一類是功能型（傳感型）傳感器；另一類是非功能性（傳光型）傳感器。
功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹姸?、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，現(xiàn)通過被調(diào)制走的傳導(dǎo)進行解調(diào)，從而得出被測信號。
光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)被測量調(diào)制，多采用多模光纖。
優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度度。缺點：須用特殊光纖，成本高。典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。
非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)，常采用單模光纖。光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上被測量調(diào)制。
優(yōu)點：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，成本低。缺點：靈敏度較低。實用化的大都是非功能型的光纖傳感器
目前光纖傳感器已經(jīng)有70多種，光纖聲傳感器是一種利用光纖自身的傳感器。當(dāng)光纖受到一點很微小的外力作用時，就會產(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力發(fā)生很大的變化。聲音是一種機械波，它對光纖的作用就是使光纖受力并產(chǎn)生彎曲，通過彎曲就能夠得到聲音的強弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種。與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本低，可以用于飛機、艦船、導(dǎo)彈等的高性能慣性民航系統(tǒng)。
熒光光纖傳感器
與化學(xué)傳感器不同，光纖生物傳感器主要是利用熒光免疫競爭原理實現(xiàn)對分析物的檢測。Shriver-Lake等人發(fā)展了一種適合于多目標(biāo)檢測的熒光光纖傳感器，采用免疫競爭方法可同時檢測TNT和RDX（三次甲基三硝基胺）兩種爆炸物。他們將抗體固定在光纖表面，熒光標(biāo)記抗原與自由抗原在光纖表面進行免疫競爭，通過檢測熒光強度的變化，可定量檢測爆炸物的體積分?jǐn)?shù)。需要指出的是，雖然熒光光纖生物傳感器具有靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點，但使用穩(wěn)定性差是其難以克服的缺陷。
隨著新的熒光敏感材料的出現(xiàn)，爆炸物的熒光檢測方法也在不斷發(fā)展。Swager小組利用微納米顆粒材料比表面大的特點，利用層層組裝技術(shù)將共軛熒光高分子固定于微球表面，制成了可對硝基芳烴類炸藥實現(xiàn)靈敏檢測的功能熒光微球材料，并形象地稱其為“智能砂子”。針對共軛熒光高分子薄膜熒光傳感器的局限性，提出了以固定化多環(huán)芳烴的超分子行為為基礎(chǔ)的傳感薄膜材料設(shè)計新思想，制備了十余種新型傳感薄膜材料，已實現(xiàn)了對有機二酸等的選擇性檢測。實驗發(fā)現(xiàn)，在這些薄膜中，芘功能化薄膜對空氣中硝基芳烴類化合物的存在十分敏感，其靈敏度可與共軛熒光高分子薄膜相媲美，展現(xiàn)出很好的應(yīng)用開發(fā)前景。可以預(yù)期，薄膜熒光傳感器所具有的巨大優(yōu)勢必將使其在硝基芳烴類炸藥的超靈敏快速檢測方面獲得實際應(yīng)用。
分布式光纖監(jiān)測技術(shù)
20世紀(jì)70年代，光纖監(jiān)測技術(shù)伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來。與傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)相比，光纖監(jiān)測技術(shù)有一系列獨特的優(yōu)點：
● 光纖傳感器以光信號作為載體，光纖為媒質(zhì)，光纖的纖芯材料為二氧化硅，因此，該傳感器具有耐腐蝕、抗電磁干擾、防雷擊等特點，屬本質(zhì)安全。
● 光纖本身輕細(xì)纖柔，光纖傳感器的體積小、重量輕，不僅限于布設(shè)安裝，而且對埋調(diào)部位的材料性能和力學(xué)參數(shù)影響甚小，能實現(xiàn)無損埋設(shè)。
● 靈敏度高，可靠性好，使用壽命長。分布式光纖監(jiān)測技術(shù)除了具有以上的特點外，還具有以下兩個顯著的優(yōu)點：可以準(zhǔn)確地測出光纖沿線任一點的監(jiān)測量，信息量大，成果直觀；光纖既作為傳感器，又作為傳輸介質(zhì)，結(jié)構(gòu)簡單，不僅方便施工，潛在故障大大低于傳統(tǒng)技術(shù)，可維護性強，而且性能價格比好。
分布式光纖經(jīng)久耐用，安全可靠，由它構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)可以遍布壩體，這些光纖網(wǎng)絡(luò)猶如神經(jīng)系統(tǒng)，可以感知壩體各部位相關(guān)信息，大壩因此而有望成為一種機敏結(jié)構(gòu)。分布式光纖監(jiān)測技術(shù)是當(dāng)代高科技的結(jié)晶，是一種理想的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，廣大安全監(jiān)測工作者應(yīng)予以積極推廣。
光纖測溫技術(shù)
光纖測溫技術(shù)是近年才發(fā)展起來的新技術(shù)，并已逐漸顯露出某些優(yōu)異特性?？墒牵笃渌录夹g(shù)一樣，光纖測溫技術(shù)并不是萬能的，它不是用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法，而是對傳統(tǒng)測溫方法的補充與提高。充分發(fā)揮它的特長，就能創(chuàng)造出新的測溫方案與技術(shù)應(yīng)用的場合，如下所述：
● 強電磁場下的溫度測量。高頻與微波加熱方法受到人們重視，正在向如下領(lǐng)域逐漸擴展：金屬的高頻熔煉、焊接與淬火、橡膠的硫化、木材與織物的烘干以及制藥、化工，甚至家庭烹調(diào)等。光纖測溫技術(shù)在這些領(lǐng)域中有著絕對優(yōu)勢，因為它既無導(dǎo)電部分引起的附加升溫，又不受電磁場的干擾。
● 高壓電器的溫度測量。最典型的應(yīng)用是高壓變壓器繞阻熱點的溫度測量。英國電能研究中心從20世紀(jì)70年代中期就開始潛心研究這一課題，起初是為了故障診斷與預(yù)報，后來又用于計算機電能管理的應(yīng)用，轉(zhuǎn)入了安全過載運行，使系統(tǒng)處于最佳功率分配狀態(tài)。另一類應(yīng)用的場合是各種高壓裝置，如發(fā)電機、高壓開關(guān)、過載保護裝置，甚至架空電力線和地下電纜等。
● 易燃易爆物的生產(chǎn)過程與設(shè)備的溫度測量。光纖傳感器在本質(zhì)上是防火防爆器件，它不需要采用隔爆措施，十分安全可靠。與電學(xué)傳感器相比，既能降低成本又能提高靈敏度。例如，大型化工廠的反應(yīng)罐工作在高溫高壓狀態(tài)，反應(yīng)罐表面溫度特性的實時監(jiān)測可確保其正確工作，將光纖沿反應(yīng)罐表面鋪設(shè)成感溫網(wǎng)格，這樣任何熱點都能被監(jiān)控，可有效地預(yù)防事故發(fā)生。
● 高溫介質(zhì)的溫度測量。在冶金工業(yè)中，當(dāng)溫度高于1300℃或1700℃時，或者溫度雖不高但使用條件惡劣時，尚存在許多測溫難題。充分發(fā)揮光纖測溫技術(shù)的優(yōu)勢，其中有些難題可望得到解決。例如，鋼液、鐵液及相關(guān)設(shè)備的連續(xù)測溫問題，高爐爐體的溫度分布等，有關(guān)這類 光纖傳感器相關(guān)文章:光纖傳感器原理
評論