了解采用光导纤维的光电传感器的应用.doc

一、光纤传感器的原理和组成光纤传感器主要由光源、光纤与探测器3部分组成,光源发出的光耦合进光纤,经光纤进入调制区,在调治区内,外界被测参数作用于进入调区内的光信号,是其光学性质如光的强度、相位、偏振态、波长等发生变化成为被调制的信号光,再经过光纤送入光探测器而获得被测参数,光纤传感器中的光纤通常由纤芯、包层、树脂涂层和塑料护套组成,纤芯和包层具有不同的折射率,树脂涂层对光纤起保护作用。光纤主要分为两类﹐一是渐变光纤﹐一是跃阶光纤。前者的折射率是渐变的﹐而后者的折射率是突变的。另外还分为单模光纤及多模光纤近年来﹐又有新的光子晶体光纤问世。依材质:石英玻璃、多组份玻璃、***化物、塑料、液芯。依转输方式分:单模、多模级射、多模斜射。依折射率分:阶跃型、渐变型光纤。依工作波长分:短波长光纤、长波长光纤、超长波长光纤。光纤是基于光的全反射原理而工作的。当入射角在此范围内时,光在界面产生全反射,并在光纤内部一同样的角度反复逐次反射,知道传播到光纤的另一端面。如果工作需要光纤微弯曲,只要仍满足全反射定律,则光仍然可以继续前进。如果入射角超出上述范围,则进入光纤的光线便会在截面上发生折射,并透入包层。二、光纤传感器的类型及特点 1、特点:灵敏度高,耐腐蚀,电绝缘,防爆性好,抗电磁干扰,光路可挠曲,易于与电脑连接,便于遥测等;而且:结构简单,尺寸小,质量轻,频带宽,可进行温度、应变、压力等多种参数的分布式测量。因此自从光纤传感技术随着光纤通信技术的发展逐步形成之后,它就得到了深入的研究和广泛的应用,现今光纤传感器已经能够对温度、压力、温度、振动、电流、电压、磁场等物理量进行测定,其应用范围深入至国防军事、航天航空、土木工程、电力、能源、环保、医学等,发展空间相当广阔! 2、分类: ①按光纤传感器中光纤的作用可分为传感型和传光型两种类型。传感型光纤传感器又称为功能型光纤传感器,主要使用单模光纤,光纤不仅起传光作用,同时又是敏感元件,它利用光纤本身的传输特性经被测物理量作用而发生变化的特点,使光波传导的属性(振幅、相位、频率、偏振)被调制。因此,这一类光纤传感器又分为光强调制型,偏振态调制型和波长调制型等几种。对于传感型光纤传感器,由于光纤本身是敏感元件,因此加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度。传光型光纤传感器又称非功能型光纤传感器,它是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后,通过在输出段进行光信号处理而进行测量的。在这类传感器中,光纤仅作为传光元件,必须附加能够对光纤所传递的光进行调治的敏感元件才能组成传感元件②光纤传感器根据其测量范围还可分为点式光纤传感器,分布式光纤传感器。单点光纤传感器,只能对某一点做连续测量,分布式光纤传感器是理想的结构应变分布的监测器,它能在对结构无损伤的情况下,利用光导纤维具有的传感运输双重特性,迅速实现对待测场沿光纤分布的多点甚至连续点测量,以达到取代多***立点传感器的目的。分布式光纤系统的基本原理为:光源发出脉冲光经分光束进入光纤,光纤中的背向散射光经分光束耦合进入调制器,调制器把待测对广播参数的调制变成功率的变化并进入光点检测器。根据背向散射光的功率及其相对于注入光脉冲的时延可以得出测场沿光纤的分布。三、光纤传感器的应用 1、在航天器及船舶中的应用先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好,而且可以减轻船体或航天器的重量,对于快速航运或飞行具有重要意义,因此复合材料越来越多地被用于制造航空航海工具(如飞机的机翼)。为全面衡量船体的状况,需要了解其不同部位的变形力矩、剪切压力、甲板所受的抨击力,对于普通船体大约需要100个传感器,因此波长复用能力极强的光纤光栅传感器最适合于船体检测。光纤光栅传感系统可测量船体的弯曲应力,而且可测量海浪对湿甲板的抨击力。具有干涉探测性能的16路光纤光栅复用系统成功实现了在带宽为5kHz范围内、分辨率小于10nε/(Hz)1/2的动态应变测量。另外,为了监测一架飞行器的应变、温度、振动、起落驾驶状态、超声波场和加速度情况,通常需要100多个传感器,故传感器的重量要尽量轻,尺寸尽量小,因此最灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。另外,实际上飞机的复合材料中存在两个方向的应变,嵌人材料中的光纤光栅传感器是实现多点多轴向应变和温度测量的理想智能元件。 2、在民用工程结构中的应用民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的。通过测量上述结构的应变分布,可以预知结构局部的载荷及状况。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中,对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等,以监视结构的缺陷情况。另外,多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络,对结构进行准分布式检测,可以用计算机对传感信号进行远程控制。①光纤传感器在温度