光纖傳感器的分類及應用

                                光纖傳感器的分類及應用

分類

1、根據光受被測對象的調制形式可以分為：強度調制型、偏振態制型、相位制型、頻率制型；

2、根據光是否發生干涉可分為：干涉型和非干涉型；

3、根據是否能夠隨距離的增加連續地監測被測量可分為：分布式和點分式；

4、根據光纖在傳感器中的作用可以分為：一類是功能型（Functional Fiber，縮寫為FF)傳感器，又稱為傳感型傳感器； 另一類是非功能型（Non Functional Fiber縮寫為NFF)，又稱為傳光型傳感器。

功能型

    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， 被測量對光纖內傳輸的光進行調制， 使傳輸的光的強度、相位、頻率或偏振態等特性發生變化， 再通過對被調制過的信號進行解調， 從而得出被測信號。

    光纖在其中不僅是導光媒質，而且也是敏感元件，光在光纖內受被測量調制，多采用多模光纖。

優點：結構緊湊、靈敏度高。

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。

非功能光纖型

    非功能型光纖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，常采用單模光纖。

光纖在其中僅起導光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測量調制。

   優點：光纖即可用于電氣隔離，有用于數據傳輸，且光纖傳輸的信號不受電磁干擾的影響。

   實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。AnyWay的變頻電壓傳感器、變頻電流傳感器、變頻功率傳感器（一種電壓、電流組合式傳感器）就屬于非功能型的光纖傳感器，在復雜電磁環境下的電量測量中，有其獨到的優勢。

    光纖傳感器是最近幾年出現的新技術，可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現有測量技術難以完成的測量任務。在狹小的空間里，在強電磁干擾和高電壓的環境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。光纖傳感器有70多種，大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。

    所謂光纖自身的傳感器，就是光纖自身直接接收外界的被測量。外接的被測量物理量能夠引起測量臂的長度、折射率、直徑的變化，從而使得光纖內傳輸的光在振幅、相位、頻率、偏振等方面發生變化。測量臂傳輸的光與參考臂的參考光互相干涉（比較），使輸出的光的相位(或振幅)發生變化，根據這個變化就可檢測出被測量的變化。光纖中傳輸的相位受外界影響的靈敏度很高，利用干涉技術能夠檢測出10的負4次方弧度的微小相位變化所對應的物理量。利用光纖的繞性和低損耗，能夠將很長的光纖盤成直徑很小的光纖圈，以增加利用長度，獲得更高的靈敏度。

    光纖聲傳感器就是一種利用光纖自身的傳感器。當光纖受到一點很微小的外力作用時，就會產生微彎曲，而其傳光能力發生很大的變化。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、導彈等的高性能慣性導航系統。如圖就是光纖傳感器渦輪流量計的原理。

布拉格光柵

    光纖布拉格光柵傳感器（FBS）是一種使用頻率最高，范圍最廣的光纖傳感器，這種傳感器能根據環境溫度以及/或者應變的變化來改變其反射的光波的波長。光纖布拉格光柵是通過全息干涉法或者相位掩膜法來將一小段光敏感的光纖暴露在一個光強周期分布的光波下面。這樣光纖的光折射率就會根據其被照射的光波強度而永久改變。這種方法造成的光折射率的周期性變化就叫做光纖布拉格光柵。

    當一束廣譜的光束被傳播到光纖布拉格光柵的時候，光折射率被改變以后的每一小段光纖就只會反射一種特定波長的光波，這個波長稱為布拉格波長，這種特性就使光纖布拉格光柵只反射一種特定波長的光波，而其它波長的光波都會被傳播。

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，使光波導的屬性(光強、相位、偏振態、波長等)被調制。傳感器型光纖傳感器又分為光強調制型、相位調制型、振態調制型和波長調制型等。

傳光型光纖

    傳光型光纖傳感器是將經過被測對象所調制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，必須附加能夠對光纖所傳遞的光進行調制的敏感元件才能組成傳感元件。光纖傳感器根據其測量范圍還可分為點式光纖傳感器、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構的應變分布，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。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，Fabry-pero腔式光纖傳感器，光纖布喇格光柵傳感器等。

     光纖傳感器的輕巧性、耐用性和長期穩定性，使其能夠方便的應用于建筑鋼結構和混凝土等各種建筑材料的內部應力、應變檢測。實現的建筑結構的健康檢測。

光纖傳感器的另外一個大類是利用光纖的傳感器。其結構大致如下：傳感器位于光纖端部，光纖只是光的傳輸線，將被測量的物理量變換成為光的振幅，相位或者振幅的變化。在這種傳感器系統中，傳統的傳感器和光纖相結合。光纖的導入使得實現探針化的遙測提供了可能性。這種光纖傳輸的傳感器適用范圍廣，使用簡便，但是精度比第一類傳感器稍低。

    光纖在傳感器家族中是后起之秀，它憑借著光纖的優異性能而得到廣泛的應用，是在生產實踐中值得注意的一種傳感器。

     光纖傳感器憑借著其大量的優點已經成為傳感器家族的后起之秀，并且在各種不同的測量中發揮著自己獨到的作用，成為傳感器家族中不可缺少的一員。

應用

    絕緣于污穢、磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉矩、光聲、電流，光纖傳感器可用于位移、震動、轉動、壓力、彎曲、應變、速度、加速度、電流、磁場、電壓、濕度、溫度、聲場、流量、濃度、PH值和應變等物理量的測量。光纖傳感器的應用范圍很廣，幾乎涉及國民經濟和國防上所有重要領域和人們的日常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環境中使用，解決了許多行業多年來一直存在的技術難題，具有很大的市場需求。主要表現在以下幾個方面的應用：

    城市建設中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應用。光纖傳感器可預埋在混凝土、碳纖維增強塑料及各種復合材料中，用于測試應力松弛、施工應力和動荷載應力，從而評估橋梁短期施工階段和長期營運狀態的結構性能。

    在電力系統，需要測定溫度、電流等參數，如對高壓變壓器和大型電機的定子、轉子內的溫度檢測等，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展起來的一種用于實時測量空間溫度場分布的高新技術，分布式光纖溫度傳感系統不僅具有普遍光纖傳感器的優點，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實時測量光纖沿線幾公里內各點溫度，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用場合。

    此外，光纖傳感器還可以應用于鐵路監控、火箭推進系統以及油井檢測等方面。

    光纖同時具備寬帶、大容量、遠距離傳輸和可實現多參數、分布式、低能耗傳感的顯著優點。光纖傳感可以不斷汲取光纖通信的新技術、新器件，各種光纖傳感器有望在物聯網中得到廣泛應用。