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光學工程
光纖傳感技術

光纖工作頻帶寬,動態范圍大,適合于遙測遙控,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加載,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,特別適合于易燃、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,光纖傳感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,成為傳感技術的先導,推動著傳感技術蓬勃發展。

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律使光纖中傳輸的光波的物理特征參量,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制。所謂傳輸,是指光纖將受到外界信號調制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并按需要進行數據處理,也就是解調。因此,光纖傳感技術包括調制與解調兩方面的技術,即外界信號(被測量)如何調制光纖中的光波參量的調制技術(或加載技術)及如何從被調制的光波中提取外界信號(被測量)的解調技術(或檢測技術)。

外界信號對傳感光纖中光波參量進行調制的部位稱為調制區。根據調制區與光纖的關系,可將調制分為兩大類。一類為功能型調制,調制區位于光纖內,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施調制。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,也成為內調制型傳感器,光纖同具“傳”和“感”兩種功能。于光源耦合的發射光纖同于光探測器耦合的接收光纖為一根連續光纖,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。另一類為非功能型調制,調制區在光纖之外,外界信號通過外加調制裝置對進入光纖中的光波實施調制,這類光纖傳感器稱為非功能型(NonFunctionalFiber,簡稱NFF)或非本征型光纖傳感器,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,故非功能型光纖傳感器也稱傳光型光纖傳感器或外調制光纖傳感器。

根據被外界信號調制的光波的物理特征參量的變化情況,可將光波的調制分為光強度調制、光頻率調制、光波長調制、光相位調制和偏振調制等五種類型。

由于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、和偏振調制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。

光纖傳感器的分類

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。目前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。

光纖傳感器的特點

1.高靈敏度,抗電磁干擾。由于光纖傳感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,也不受任何電噪聲的影響,由于這一特征,光纖傳感器在電力系統的檢測中得到了廣泛應用。

2.光纖具有很好的柔性和韌性,所以傳感器可以根據現場檢測需要做成不同的形狀。

3.測量的頻帶寬、動態響應范圍大。

4.可移植性強,可以制成不同的物理量的傳感器,包括聲場、磁場、壓力、溫度、加速度、位移、液位、流量、電流、輻射等。

5.可嵌入性強,便于與計算機和光纖系統相連,易于實現系統的遙測和控制。

 


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