光纖傳感系統(tǒng)

工業(yè)產(chǎn)品光纖傳感系統(tǒng)01光纖傳感技術(shù)存在問題應(yīng)用光纖傳感技術(shù)應(yīng)用分類傳感器的分類研究進(jìn)展目錄0305020406基本信息光纖傳感系統(tǒng)始于1977年，伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的，光纖傳感系統(tǒng)是衡量一個國家信息化程度的重要標(biāo)志。從杭州物聯(lián)暨傳感系統(tǒng)應(yīng)用論壇了解到，光纖傳感系統(tǒng)已廣泛用于軍事、國防、航天航空、工礦企業(yè)、能源環(huán)保、工業(yè)控制、醫(yī)藥衛(wèi)生、計(jì)量測試、建筑、家用電器等領(lǐng)域有著廣闊的市場。世界上已有光纖傳感系統(tǒng)上百種，諸如溫度、壓力、流量、位移、振動、轉(zhuǎn)動、彎曲、液位、速度、加速度、聲場、電流、電壓、磁場及輻射等物理量都實(shí)現(xiàn)了不同性能的傳感。光纖傳感技術(shù)光纖傳感技術(shù)光纖工作頻帶寬，動態(tài)范圍大，適合于遙測遙控，是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線；在一定條件下，光纖特別容易接受被測量或場的加載，是一種優(yōu)良的敏感元件；光纖本身不帶電，體積小，質(zhì)量輕，易彎曲，抗電磁干擾，抗輻射性能好，特別適合于易燃、易爆、空間受嚴(yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。因此，光纖傳感技術(shù)一問世就受到極大重視，幾乎在各個領(lǐng)域得到研究與應(yīng)用，成為傳感技術(shù)的先導(dǎo)，推動著傳感技術(shù)蓬勃發(fā)展。光纖傳感，包含對外界信號（被測量）的感知和傳輸兩種功能。所謂感知（或敏感），是指外界信號按照其變化規(guī)律使光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ奈锢硖卣鲄⒘?，如?qiáng)度（功率）、波長、頻率、相位和偏振態(tài)等發(fā)生變化，測量光參量的變化即“感知”外界信號的變化。這種“感知”實(shí)質(zhì)上是外界信號對光纖中傳播的光波實(shí)時調(diào)制。所謂傳輸，是指光纖將受到外界信號調(diào)制的光波傳輸?shù)焦馓綔y器進(jìn)行檢測，將外界信號從光波中提取出來并按需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，也就是解調(diào)。因此，光纖傳感技術(shù)包括調(diào)制與解調(diào)兩方面的技術(shù)，即外界信號（被測量）如何調(diào)制光纖中的光波參量的調(diào)制技術(shù)（或加載技術(shù)）及如何從被調(diào)制的光波中提取外界信號（被測量）的解調(diào)技術(shù)（或檢測技術(shù)）。外界信號對傳感光纖中光波參量進(jìn)行調(diào)制的部位稱為調(diào)制區(qū)。根據(jù)調(diào)制區(qū)與光纖的關(guān)系，可將調(diào)制分為兩大類。一類為功能型調(diào)制，調(diào)制區(qū)位于光纖內(nèi)，外界信號通過直接改變光纖的某些傳輸特征參量對光波實(shí)施調(diào)制。這類光纖傳感器稱為功能型（FunctionalFiber，簡稱FF型）或本征型光纖傳感器，也成為內(nèi)調(diào)制型傳感器，光纖同具“傳”和“感”兩種功能。于光源耦合的發(fā)射光纖同于光探測器耦合的接收光纖為一根連續(xù)光纖，稱為傳感光纖，故功能型光纖傳感器亦稱全光纖型或傳感型光纖傳感器。光纖傳感技術(shù)應(yīng)用分類光強(qiáng)度調(diào)制型相位調(diào)制型偏振調(diào)制型波長調(diào)制型頻率調(diào)制型12345光纖傳感技術(shù)應(yīng)用分類光強(qiáng)度調(diào)制型光強(qiáng)調(diào)制是光纖傳感技術(shù)中相對比較簡單，用得最廣泛的一種調(diào)制方法。其基本原理是利用外界信號（被測量）的擾動改變光纖中光（寬譜光或特定波長的光）的強(qiáng)度（即調(diào)制），再通過測量輸出光強(qiáng)的變化（解調(diào)）實(shí)現(xiàn)對外界信號的測量。相位調(diào)制型光相位調(diào)制，是指外界信號（被測量）按照一定的規(guī)律使光纖中傳播的光波相位發(fā)生響應(yīng)的變化，光相位的變化量即反映被測外界量。光纖傳感技術(shù)中使用的光相位調(diào)制大體有三種類型。一類為功能型調(diào)制，外界信號通過光纖的力應(yīng)變效應(yīng)、熱應(yīng)變效應(yīng)、彈光效應(yīng)及熱光效應(yīng)使傳感光纖的幾何尺寸和折射率等參數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光纖中的光相位變化，以實(shí)現(xiàn)對光相位的調(diào)制。第二類為薩格奈克效應(yīng)調(diào)制，外界信號（旋轉(zhuǎn)）不改變光纖本身的參數(shù)，而是通過旋轉(zhuǎn)慣性場中的環(huán)形光纖，使其中相向傳播的兩光束產(chǎn)生相應(yīng)的光程差，以實(shí)現(xiàn)對光相位的調(diào)制。第三類為非功能型調(diào)制，即在傳感光纖之外通過改變進(jìn)入光纖的光波程差實(shí)現(xiàn)對光纖中光相位的調(diào)制。偏振調(diào)制型偏振調(diào)制，是指外界信號（被測量）通過一定的方式使光纖中光波的偏振面發(fā)生規(guī)律性偏轉(zhuǎn)（旋光）或產(chǎn)生雙折射，從而導(dǎo)致光的偏振特性變化，通過檢測光偏振態(tài)的變化即可測出外界被測量。波長調(diào)制型外界信號（被測量）通過選頻、濾波等方式改變光纖中傳輸光的波長，測量波長變化即可檢測到被測量，這類調(diào)制方式稱為光波長調(diào)制。用于光波長調(diào)制的方法主要是光學(xué)選頻和濾波。傳統(tǒng)的光波長調(diào)制方法主要有F-P干涉式濾光、里奧特偏振雙折射濾光及各種位移式光譜選擇等外調(diào)制技術(shù)。近20多年來，尤其近幾年迅速發(fā)展起來的光纖光柵濾光技術(shù)為功能型光波長調(diào)制技術(shù)開辟了新的前景。頻率調(diào)制型光頻率調(diào)制，是指外界信號（被測量）對光纖中傳輸?shù)墓獠l率進(jìn)行調(diào)制，頻率偏移即反映被測量。使用較多的調(diào)制方法為多普勒法，即外界信號通過多普勒效應(yīng)對接收光纖中的光波頻率實(shí)施調(diào)制，是一種非功能型調(diào)制。

存在問題存在問題光纖干涉型傳感器由于靈敏度高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，受到很大。但是干涉型傳感器對被測物理量的變化敏感的同時也對溫度漂移、環(huán)境振動等干擾也同樣敏感。用于光相位解調(diào)的干涉方法很多，主要有雙光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法、環(huán)形干涉法等。

傳感器的分類傳感器的分類按光纖在光纖傳感器中的作用可分為傳感型和傳光型兩種類型。傳感型光纖傳感器的光纖不僅起傳遞光作用，同時又是光電敏感元件。由于外界環(huán)境對光纖自身的影響，待測量的物理量通過光纖作用于傳感器上，使光波導(dǎo)的屬性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)、波長等)被調(diào)制。傳感器型光纖傳感器又分為光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型等。傳光型光纖傳感器是將經(jīng)過被測對象所調(diào)制的光信號輸入光纖后,通過在輸出端進(jìn)行光信號處理而進(jìn)行測量的，這類傳感器帶有另外的感光元件對待測物理量敏感，光纖僅作為傳光元件，必須附加能夠?qū)饫w所傳遞的光進(jìn)行調(diào)制的敏感元件才能組成傳感元件。光纖傳感器根據(jù)其測量范圍還可分為點(diǎn)式光纖傳感器、積分式光纖傳感器、分布式光纖傳感器三種。其中，分布式光纖傳感器被用來檢測大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布，可以快速無損測量結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)部或表面應(yīng)力等重要參數(shù)。用于土木工程中的光纖傳感器類型主要有Math-Zender干涉型光纖傳感器，F(xiàn)abry-pero腔式光纖傳感器，光纖布喇格光柵傳感器等。

應(yīng)用光纖傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程檢測中的應(yīng)用光纖傳感技術(shù)在橋梁檢測中的應(yīng)用光纖傳感技術(shù)在巖土力學(xué)與工程中的應(yīng)用光纖傳感技術(shù)在軍事上的應(yīng)用應(yīng)用光纖傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程檢測中的應(yīng)用鋼筋混凝土是非常廣泛應(yīng)用的材料，將光纖材料直接埋入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)或粘貼在表面，是光纖的主要應(yīng)用形式，可以檢測熱應(yīng)力和固化、撓度、彎曲以及應(yīng)力和應(yīng)變等?；炷猎谀虝r由于水化作用會在內(nèi)部產(chǎn)生一個溫度梯度，如果其冷卻過程不均勻。熱應(yīng)力會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，采用光纖傳感器埋入混凝土可以監(jiān)測其內(nèi)部溫度變化，從而控制冷卻速度?；炷翗?gòu)件的長期撓度和彎曲是人們感興趣的一個力學(xué)問題，為此已研制出能測量結(jié)構(gòu)彎曲和撓度的微彎應(yīng)變光纖傳感器，并用一根光纖連接整個結(jié)構(gòu)不同位置上的傳感器進(jìn)行同時監(jiān)測，每個傳感器的位置可用OTDR來識別。光纖傳感器還能探測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷。在正常荷載作用下，由于鋼筋阻止干化收縮或溫度引起的體積變化都會引起裂縫，裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展可以通過埋入的光纖中光傳播的強(qiáng)度變化而測得。光纖傳感技術(shù)在橋梁檢測中的應(yīng)用橋梁是一個國家的經(jīng)濟(jì)命脈，橋梁的建造和維護(hù)是一個國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要部分。利用光纖傳感器測量振動，主要可得到橋梁的振動響應(yīng)參數(shù)如頻率、振幅等，其方法是：將信號光纖粘貼于橋梁內(nèi)部，它隨著橋梁的振動而產(chǎn)生振動響應(yīng)，輸出光的相位作周期性的變化，則光電探測器接收到的光強(qiáng)也作周期性的變化。成功的案例有：加拿大在1993年將光纖傳感器預(yù)裝到一座碳纖維預(yù)應(yīng)力混凝土公路橋上，在橋開通后連續(xù)監(jiān)測了8個月，測量了混凝土內(nèi)部的整體分布應(yīng)變，并用動態(tài)規(guī)化理論處理數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確而又快速的評估了橋梁的使用狀態(tài)及壽命。1996年，美國海軍實(shí)驗(yàn)研究中心研制了新墨西哥州I-10橋健康檢測系統(tǒng)，它由60個FBG傳感器組成，可實(shí)現(xiàn)動態(tài)與靜態(tài)應(yīng)變測量。光纖傳感技術(shù)在巖土力學(xué)與工程中的應(yīng)用巖土工程檢測具有長時效性、環(huán)境復(fù)雜、具有時空限制、施工環(huán)境制約等特點(diǎn)，其檢測工作一直是等待解決的難題。已有的常規(guī)的測試技術(shù)在長期的工程應(yīng)用中表明，滿足上述測試要求十分困難。而由于光纖傳感器體積小、質(zhì)量輕、不導(dǎo)電、反應(yīng)快、抗腐蝕等諸多優(yōu)良特性，使用它成為巖土力學(xué)工程的檢測工具成為學(xué)者們的研究對象。三峽大壩壩體內(nèi)部靠近上游面埋設(shè)有點(diǎn)式溫度計(jì)，因埋設(shè)點(diǎn)位于壩體內(nèi)，所測溫度與實(shí)際庫水溫度存在一定的差異。為了能更真實(shí)地反映庫水溫度的變化規(guī)律，長江科學(xué)院結(jié)合壩前水溫觀測的實(shí)際現(xiàn)狀，在左廠14-2壩段布設(shè)1條測溫垂線，采取光纖Bargg光柵溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測，通過實(shí)際工程應(yīng)用，光纖Bargg光柵溫度傳感器測量水溫，可以滿足水溫監(jiān)測的要求，且與水銀溫度計(jì)直接測量水溫相比，結(jié)果較好。光纖傳感技術(shù)在軍事上的應(yīng)用光纖傳感技術(shù)在軍事上同樣應(yīng)用廣泛。光纖陀螺儀經(jīng)過30多年的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用與民航機(jī)，無人機(jī)，導(dǎo)彈的定位和控制中。光纖水聽器可以用于船舶軍艦收集聲音，探測越來越先進(jìn)的潛艇。且近幾年來，基于光纖傳感技術(shù)的光纖絡(luò)安全警戒系統(tǒng)開始在邊防及重點(diǎn)區(qū)域防衛(wèi)中得到推廣應(yīng)用。世界上發(fā)達(dá)國家使用的安全防衛(wèi)系統(tǒng)就是基于分布式光纖傳感絡(luò)系統(tǒng)的安全防衛(wèi)技術(shù)。石油和天然氣：油藏監(jiān)測井下的P/T傳感、地震陣列、能源工業(yè)、發(fā)電廠、鍋爐及蒸汽渦輪機(jī)、電力電纜、渦輪機(jī)運(yùn)輸、煉油廠；航空航天：噴氣發(fā)動機(jī)、火箭推進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)身；民用基礎(chǔ)建設(shè)：橋梁、大壩、道路、隧道、滑坡；交通運(yùn)輸：鐵路監(jiān)控、運(yùn)動中的重量、運(yùn)輸安全；生物醫(yī)學(xué)：醫(yī)用溫度壓力、顱內(nèi)壓測量、微創(chuàng)手術(shù)、一次性探頭。

研究進(jìn)展研究進(jìn)展光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器是國內(nèi)研究的熱點(diǎn)之一。FBG傳感器具有靈敏度高，易構(gòu)成分布式結(jié)構(gòu)，在一根光纖內(nèi)可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量。滿足“智能結(jié)構(gòu)”對傳感器的要求，可對大型構(gòu)件進(jìn)行實(shí)時安全監(jiān)測；也可以代替其他類型結(jié)構(gòu)的光纖傳感器，用于化學(xué)、壓力和加速度傳感中。但是溫度、應(yīng)力交叉敏感是其實(shí)用化的最大限制。隨著實(shí)用、廉價的波長解調(diào)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展完善，光纖光柵傳感技術(shù)已經(jīng)向成