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常见的光纤传感器有哪些

2018年02月09日 15:15 网络整理 作者: 用户评论(0

  光纤最早的出现的目的是用于传输光,在20世纪70年代初生产出低损耗光纤后,光纤用于长距离传递信息,是光纤通信的基石,也可以豪不夸张的说光纤也是现代信息社会的基石。由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质,而且光波在光纤中传播的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)会因外界因素(如温度、压力、应变、振动、声音、磁场、折射率、扭曲、等)的作用而间接或直接地发生变化,分析这些变化就可以得到外界作用的某些性质,从而可将光纤用作传感器元件来探测各种物理量、化学量和生物量,这就是光纤传感器的基本原理。

  光纤传感器有哪些_常见的光纤传感器

  光纤传感器的基本结构由光源、传输光纤和光检测部分组成。考虑到光纤传输已经很简单,通常一套完整的光纤传感器主要由传感器和解调仪构成。光源发出的光耦合进光纤,经光纤进入调制区;在调制区内外界被测参数作用于进入调制区内的光信号,使其光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号光:再经过光纤送入光检测器,光检测器对进来的光信号进行光电转换,输出电信号;最后对电信号进行信号处理而得到可用信号,从而获得被测参数。

  光纤传感器有哪些_常见的光纤传感器

  光纤传感器的组成结构

  光纤传感器网的三种基本构成

  光纤传感器网有三种基本构成,其中一个叫单点式传感器。一根光纤在这里仅仅起到传输的作用,另外一种叫多点式传感器,在这里一根光纤把很多传感器串起来,这样很多传感器可以共用光源实现网络性监测。再有就是智能光纤传感器。

  多点式光纤传感器,从外表看就是一节光栅,通过紫外线照射发现有周期性的间隔。当有光纤入射的时候,如果光纤的波长正好等于间隔的两倍,那么这个光波将会受到强烈的反射,而如果光纤受到温度变化或者应变等等,这个反射波长将会发生变化,这种传感器在一根光纤上可以做很多个,把它连接起来就可以用于各种各样的传感应用。

  因为光纤是软的,它可以两维、三维,所以横轴是空间的位置,纵轴是测量对象。这样一个传感网解决了什么问题呢?它解决了在什么位置上发生了什么事情,那个事情有多少个强度的问题,也就是提供了两维的信息。这就是智能光纤传感器所需要解决的问题,它有非常突出的特点要求,包括体积小、强度高、稳定性好,可植入材料中。抗电磁干扰、耐环境。

  光纤传感器已经成功应用于飞机结构监测。我们看到A-380和波音787,它们的特点是超过一半数量是碳纤维,比如说碳纤维符合树脂有几种缺失,一个是层与层之间的剥离,由于这种材料比较强,所以很难像铝合金材料那样实行碳酸检测,所以研究人员现在开始研究把光纤传感器埋到复合材料当中去,由于这种材料一层大概125微米的厚度,所以这种光纤传感器必须是特别细小的光纤传感器,大概直径在50个微米左右。

  我们说光纤传感器网可以成为安全安心社会的神经网。光纤传感器网可以用语光纤通讯网的诊断技术。光纤传感器网在安防方面已经有很多的应用,国内有很多企业在这方面开展了卓有成效的工作。

  光纤传感器有哪些_常见的光纤传感器

  光纤传感器有哪些_常见的光纤传感器

  1、强度调制型光纤传感器

  基本原理是待测物理量引起光纤中传输光光强的变化,通过检测光强的变化实现对待测量的测量。一恒定光源发出的强度为的光注入传感头,在传感头内,光在被测信号的作用下其强度发生了变化,即受到了外场的调制,使得输出光强的包络线与被测信号的形状一样,光电探测器测出的输出电流也作同样的调制,信号处理电路再检测出调制信号,就得到了被测信号。

  这类传感器的优点是结构简单、成本低、容易实现,因此开发应用的比较早,现在已经成功的应用在位移、压力、表面粗糙度、加速度、间隙、力、液位、振动、辐射等的测量。强度调制的方式很多,大致可分为反射式强度调制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸收系数强度调制等等。

  2、相位调制型光纤传感器

  基本原理是:在被测能量场的作用下,光纤内的光波的相位发生变化,再用干涉测量技术将相位的变化转换成光强的变化,从而检测到待测的物理量。相位调制型光纤传感器的优点是具有极高的灵敏度,动态测量范围大,同时响应速度也快,其缺点是对光源要求比较高同时对检测系统的精密度要求也比较高,因此成本相应较高。

  3、频率调制型光纤传感器

  基本原理是利用运动物体反射或散射光的多普勒频移效应来检测其运动速度,即光频率与光接收器和光源间运动状态有关。当它们相对静止时,接收到光的振荡频率;当它们之间有相对运动时,接收到的光频率与其振荡频率发生频移,频移大小与相对运动速度大小和方向有关。

  光纤传感器有哪些_常见的光纤传感器

  4、波长调制型光纤传感器

  传统的波长调制型光纤传感器是利用传感探头的光谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。

  此类传感器多为非功能型传感器。在波长调制的光纤探头中,光纤只是简单的作为导光用,即把入射光送往测量区,而将返回的调制光送往分析器。光纤波长探测技术的关键是光源和频谱分析器的良好性能,这对于传感系统的稳定性和分辨率起着决定性的影响。

  5、分布式光纤传感器

  分布式光纤传感器是采用独特的分布式光纤探测技术,对沿光纤传输路径上的空间分布和随时间变化信息进行测量或监控的传感器。利用光波在光纤中传输的特性,可沿光纤长度方向连续的传感被测量(如温度、压力、应力和应变等),光纤既是传感介质,又是被测量的传输介质。它将传感光纤沿场排布,可以同时获得被测场的空间分布和随时间的变化信息

  6、偏振态调制型光纤传感器

  基本原理是利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息。

  光波是一种横波,它的光矢量是与传播方向垂直的。如果光波的光矢量方向始终不变,只是它的大小随相位改变,这样的光称为是线偏振光。光矢量与光的传播方向组成的平面为线偏振光的振动面。

  如果光矢量的大小保持不变,而它的方向绕传播方向均匀的转动,光矢量末端的轨迹是一个圆,这样的光称为圆偏振光。如果光矢量的大小和方向都在有规律的变化,且光矢量的末端沿一个椭圆转动,这样的光称为椭圆偏振光。

  利用光波的偏振性质,可以制成偏振调制光纤传感器。在许多光纤系统中,尤其是包含单模光纤的那些系统,偏振起着重要的作用。许多物理效应都会影响或改变光的偏振状态,有些效应可引起双折射现象。所谓双折射现象就是对于光学性质随方向而异的一些晶体,一束入射光常分解为两束折射光的现象。光通过双折射媒质的相位延迟是输入光偏振状态的函数。

  偏振态调制光纤传感器检测灵敏度高,可避免光源强度变化的影响,而且相对相位调制光纤传感器结构简单、且调整方便。其主要应用领域为:利用法拉第效应的电流、磁场传感器;利用泡尔效应的电场、电压传感器;利用光弹效应的压力、振动或声传感器;利用双折射性的温度、压力、振动传感器。

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( 发表人:陈翠 )

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