应变传感器具有体积小、精度高,抗电磁干扰和无线电射频干扰,耐腐蚀和工作温度范围大的特点,同时具有静态/动态响应,高敏感度和高分辨率(0.01%满量程),可不受光纤弯曲的影响远距离传输信号,实现工程单位绝对量度适合用到航天航空、建筑工程、桥梁建造和维护等力学工程方面。灵敏度较高;几何形状具有多方面的适应性,可以制成任意形状的光纤传感器;可以制造传感各种不同物理信息(声、磁、温度、旋转等)的器件;可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境;而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。
伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而出现的光纤传感器,其传感灵敏度要比传统传感器高许多倍,而且它可以在高电压、大噪声、高温、强腐蚀性等很多特殊环境下正常工作,还可以与光纤遥感、遥测技术配合,形成光纤遥感系统和光纤遥测系统。光纤传感技术是许多经济、军事强国争相研究的高新技术,它可广泛应用于国民经济的各个领域和国防军事领域。在航天航空(飞机及航天器各部位压力测量、温度测量、陀螺等)、航海(声纳等)、工程项目(桥梁建设及修复的监测、铁路等)石油开采(液面高度、流量测量、二相流中空隙度的测量 )、电力传输(高压输电网的电流测量、电压测量)、核工业(放射剂量测量、原子能发电站泄漏剂量监测)医疗(血液流速测量、血压及心音测量)、科学研究(地球自转,敏感蒙皮)等众多领域都得到了广泛的应用。
因此我公司**多家国外专业厂家的光纤传感器如:白光法布里-珀罗(fabry-perot)干涉仪型光纤传感器产品,布拉格(bragg)光栅型分布式和荧光式光纤传感器等相关产品来满足国内相应行业的应用。
光纤传感器的分类:
一类是功能型(传感型)传感器; 另一类是非功能型(传光型)传感器。
1.功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件, 被测量对光纤内传输的光进行调制, 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化, 再通过对被调制过的信号进行解调, 从而得出被测信号。
光纤在其中不仅是导光媒质,而且也是敏感元件,光在光纤内受被测量调制,多采用多模光纤。
优点:结构紧凑、灵敏度高。
缺点:须用特殊光纤,成本高,典型例子:光纤陀螺、光纤水听器等。
2.非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化, 光纤仅作为信息的传输介质,常采用单模光纤。
光纤在其中仅起导光作用,光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。
优点:无需特殊光纤及其他特殊技术,比较容易实现,成本低。
缺点:灵敏度较低。
实用化的大都是非功能型的光纤传感器。
光纤传感器是最近几年出现的新技术,可以用来测量多种物理量,比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等,还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里,在强电磁干扰和高电压的环境里,光纤传感器都显示出了独特的能力。目前光纤传感器已经有70多种,大致上分成光纤自身传感器和利用光纤的传感器。
所谓光纤自身的传感器,就是光纤自身直接接收外界的被测量。外接的被测量物理量能够引起测量臂的长度、折射率、直径的变化,从而使得光纤内传输的光在振幅、相位、频率、偏振等方面发生变化。测量臂传输的光与参考臂的参考光互相干涉(比较),使输出的光的相位(或振幅)发生变化,根据这个变化就可检测出被测量的变化。
光纤中传输的相位受外界影响的灵敏度很高,利用干涉技术能够检测出10的负4次方弧度的微小相位变化所对应的物理量。利用光纤的绕性和低损耗,能够将很长的光纤盘成直径很小的光纤圈,以增加利用长度,获得更高的灵敏度。
光纤声传感器就是一种利用光纤自身的传感器。当光纤受到一点很微小的外力作用时,就会产生微弯曲,而其传光能力发生很大的变化。声音是一种机械波,它对光纤的作用就是使光纤受力并产生弯曲,通过弯曲就能够得到声音的强弱。
光纤陀螺也是光纤自身传感器的一种,与激光陀螺相比,光纤陀螺灵敏度高,体积小,成本低,可以用于飞机、舰船、导弹等的高性能惯性导航系统。如图就是光纤传感器涡轮流量计的原理。
光纤传感器的应用:
光纤传感器的应用范围很广,几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活,尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用,解决了许多行业多年来一直存在的技术难题,具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面的应用:
城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中,用于测试应力松弛、施工应力和动荷载应力从而来评估桥梁短期、施工阶段和长期营运状态的结构性能。
在电力系统,需要测定温度、电流等参数,如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等,由于电类传感器易受强电磁场的干扰,无法在这些场合中使用,只能用光纤传感器。分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术,分布式光纤温度传感系统不仅具有普通光纤传感器的优点,还具有对光纤沿线各点的温度的分布式传感能力,利用这种特点我们可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点的温度,定位精度可达米的量级,测温精度可达1度的水平,非常适用于大范围多点测温的应用场合。
在石油化工系统、矿井、大型电厂等,需要检测氧气、碳氢化合物、co等气体,采用电类传感器不但达不到要求的精度,更严重的是会引起安全事故。因此,研究和开发高性能的光纤气敏传感器,可以安全有效地实现上述检测。
在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面,由于其环境复杂,影响因素多,使用其它传感器达不到所需要的精度,并且易受外界因素的干扰,采用光纤传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精度,可实现对上述各领域的生物量的快速、方便、准确地检测。目前,我国水源的污染情况严重,临床检验、食品安全检测手段比较落后,光纤传感器在这些领域具有极好的市场前景。
光纤传感器的技术发展方向:
光纤传感技术经过20余年的发展也已获得长足的进步,出现了很多实用性的产品,然而实际的需要是各种各样的,光纤传感技术的现状仍然远远不能满足实际需要。目前,光纤传感器技术发展的主要方向是。
传感器的实用化研究。即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量,要能够对多种物理量进行同时测量。
提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度,降低其成本,设计复杂的传感器网络工程。注重分布式传感器的参数,即压力、温度,非凡是化学参数对光纤的影响。
传感器用非凡光纤材料和器件的研究。例如:增敏和去敏光纤、荧光光纤、电极化光纤的研究等。这些将是以后传感器进一步发展的趋势。
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