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光纖感測技術

標籤:光纖

光纖感測技術是20世紀70年代伴隨光纖通信技術的發展而迅速發展起來的,以光波為載體,光纖為媒質,感知和傳輸外界被測量信號的新型感測技術。作為被測量信號載體的光波和作為光波傳播媒質的光纖,具有一系列獨特的、其他載體和媒質難以相比的優點。光波不怕電磁干擾,易為各種光探測器件接收,可方便的進行光電或電光轉換,易與高度發展的現代電子裝置和計算機相匹配。

1技術簡介

光纖工作頻帶寬,動態範圍大,適合於遙測遙控,是一種優良的低損耗傳輸線;在一定條件下,光纖特別容易接受被測量或場的載入,是一種優良的敏感元件;光纖本身不帶電,體積小,質量輕,易彎曲,抗電磁干擾,抗輻射性能好,特別適合於易燃、易爆、空間受嚴格限制及強電磁干擾等惡劣環境下使用。因此,光纖感測技術一問世就受到極大重視,幾乎在各個領域得到研究與應用,成為感測技術的先導,推動著感測技術蓬勃發展。
光纖感測,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律使光纖中傳輸的光波的物理特徵參量,如強度(功率)、波長、頻率、相位和偏振態等發生變化,測量光參量的變化即「感知」外界信號的變化。這種「感知」實質上是外界信號對光纖中傳播的光波實時調製。所謂傳輸,是指光纖將受到外界信號調製的光波傳輸到光探測器進行檢測,將外界信號從光波中提取出來並按需要進行數據處理,也就是解調。因此,光纖感測技術包括調製與解調兩方面的技術,即外界信號(被測量)如何調製光纖中的光波參量的調製技術(或載入技術)及如何從被調製的光波中提取外界信號(被測量)的解調技術(或檢測技術)。
外界信號對感測光纖中光波參量進行調製的部位稱為調製區。根據調製區與光纖的關係,可將調製分為兩大類。一類為功能型調製,調製區位於光纖內,外界信號通過直接改變光纖的某些傳輸特徵參量對光波實施調製。這類光纖感測器稱為功能型(FunctionalFiber,簡稱FF型)或本徵型光纖感測器,也成為內調製型感測器,光纖同具「傳」和「感」兩種功能。於光源耦合的發射光纖同於光探測器耦合的接收光纖為一根連續光纖,稱為感測光纖,故功能型光纖感測器亦稱全光纖型或感測型光纖感測器。另一類為非功能型調製,調製區在光纖之外,外界信號通過外加調製裝置對進入光纖中的光波實施調製,這類光纖感測器稱為非功能型(NonFunctionalFiber,簡稱NFF)或非本徵型光纖感測器,發射光纖與接收光纖僅起傳輸光波的作用,稱為傳光光纖,不具有連續性,故非功能型光纖感測器也稱傳光型光纖感測器或外調製光纖感測器。
根據被外界信號調製的光波的物理特徵參量的變化情況,可將光波的調製分為光強度調製、光頻率調製、光波長調製、光相位調製和偏振調製等五種類型。
由於現有的任何一種光探測器都只能響應光的強度,而不能直接響應光的頻率、波長、相位、和偏振調製信號都要通過某種轉換技術轉換成強度信號,才能為光探測器接收,實現檢測。

2技術應用分類

相位調製型
光相位調製,是指外界信號(被測量)按照一定的規律使光纖中傳播的光波相位發生響應的變化,光相位的變化量即反映被測外界量。
光纖感測技術中使用的光相位調製大體有三種類型。一類為功能型調製,外界信號通過光纖的力應變效應、熱應變效應、彈光效應及熱光效應使感測光纖的幾何尺寸和折射率等參數發生變化,從而導致光纖中的光相位變化,以實現對光相位的調製。第二類為薩格奈克效應調製,外界信號(旋轉)不改變光纖本身的參數,而是通過旋轉慣性場中的環形光纖,使其中相向傳播的兩光束產生相應的光程差,以實現對光相位的調製。第三類為非功能型調製,即在感測光纖之外通過改變進入光纖的光波程差實現對光纖中光相位的調製。
波長調製型
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,這類調製方式稱為光波長調製。
目前用於光波長調製的方法主要是光學選頻和濾波。傳統的光波長調製方法主要有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製技術。近20多年來,尤其近幾年迅速發展起來的光纖光柵濾光技術為功能型光波長調製技術開闢了新的前景。

頻率調製型

光頻率調製,是指外界信號(被測量)對光纖中傳輸的光波頻率進行調製,頻率偏移即反映被測量。目前使用較多的調製方法為多普勒法,即外界信號通過多普勒效應對接收光纖中的光波頻率實施調製,是一種非功能型調製。

3存在問題

光纖干涉型感測器由於靈敏度高、體積小等優點,受到很大關注。但是干涉型感測器對被測物理量的變化敏感的同時也對溫度漂移、環境振動等干擾也同樣敏感。目前用於光相位解調的干涉方法很多,主要有雙光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法、環形干涉法等。

4光纖感測器的分類

按光纖在光纖感測器中的作用可分為感測型和傳光型兩種類型。
感測型光纖感測器的光纖不僅起傳遞光作用,同時又是光電敏感元件。由於外界環境對光纖自身的影響,待測量的物理量通過光纖作用於感測器上,使光波導的屬性(光強、相位、偏振態、波長等)被調製。感測器型光纖感測器又分為光強調製型、相位調製型、振態調製型和波長調製型等。
傳光型光纖感測器是將經過被測對象所調製的光信號輸入光纖后,通過在輸出端進行光信號處理而進行測量的,這類感測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,必須附加能夠對光纖所傳遞的光進行調製的敏感元件才能組成感測元件。光纖感測器根據其測量範圍還可分為點式光纖感測器、積分式光纖感測器、分散式光纖感測器三種。其中,分散式光纖感測器被用來檢測大型結構的應變分佈,可以快速無損測量結構的位移、內部或表面應力等重要參數。目前用於土木工程中的光纖感測器類型主要有Math-Zender干涉型光纖感測器,Fabry-pero腔式光纖感測器,光纖布喇格光柵感測器等。

5光纖感測器的特點

⑴高靈敏度,抗電磁干擾。由於光纖感測器檢測系統很難受到外界場的干擾,且光信號在傳輸中不會與電磁波發生作用,也不受任何電雜訊的影響,由於這一特徵,光纖感測器在電力系統的檢測中得到了廣泛應用。
⑵光纖具有很好的柔性和韌性,所以感測器可以根據現場檢測需要做成不同的形狀。
⑶測量的頻帶寬、動態響應範圍大。
⑷可移植性強,可以製成不同的物理量的感測器,包括聲場、磁場、壓力、溫度、加速度、位移、液位、流量、電流、輻射等。
⑸可嵌入性強,便於與計算機和光纖系統相連,易於實現系統的遙測和控制。

6應用

石油和天然氣:油藏監測井下的P / T感測、地震陣列、能源工業、發電廠、鍋爐及蒸汽渦輪機、電力電纜、渦輪機運輸、煉油廠;
航空航天:噴氣發動機、火箭推進系統、機身;
民用基礎建設:橋樑、大壩、道路、隧道、滑坡;
交通運輸:鐵路監控、運動中的重量、運輸安全;
生物醫學:醫用溫度壓力、顱內壓測量、微創手術、一次性探頭。

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