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1、光纤传感行业应用分析1 光纤传感概述 光纤传感技术是20世纪70年代末兴起的一项技术,现已与光纤通信并驾齐驱。光纤传感器由于其优越的性能而备受青睐,其具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度很高、测量带宽很宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点,并可以构成传感网络。先进的光纤传感器的灵敏度比传统的传感器高几个数量级,可以测量压力、温度、应力(应变)、磁场、折射率、形变、微震动、微位移、声压等,已经实现的可用光纤传感技术测量的物理量已达70多种。在世界范围内，由于对工民建和工业设施安全性和效益要求的不断提高，对集成的安全检测系统的需求逐步攀升。具备可连续、无间断、长距离测量并与被测量介
2、质有极强的亲和性的分布式光纤传感系统似乎正是为此而量身定做的，光纤传感器正被逐渐应用于工业领域的各个方面。1.1 光纤传感器的原理纤传感技术是伴随着光纤及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体,光纤为媒质,感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。光纤传感包含对外界信号(被测量)的感知和传输两种功能。所谓感知(或敏感),是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量,如强度(功率)、波长、频率、相位和偏振态等发生变化,测量光参量的变化即感知外界信号的变化。这种感知实质上是外界信号对光纤中传播的光波实施调制。所谓传输,是指光纤将受外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测,
3、将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理,也就是解调。因此,光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术,即外界信号(被测量)如何调制光纤中的光波参量的调制技术(或加载技术)及如何从已被调制的光波中提取外界信号(被测量)的解调技术(或检测技术)。外界信号对传感光纤中光波参量进行调制的部位称为调制区。根据调制区与光纤的关系,可将调制分为两大类。一类为功能型调制,调制区位于光纤内,外界信号通过直接改变光纤的某地传输特征参量对光波实施调制。这类光纤传感器称为功能型或本征型光纤传感器,也称内调制型传感器,光纤同具有“传”和“感”两种功能。与光源藕合的发射光纤同与光探测器祸合的接收光纤为一根连续光纤,称
4、为传感光纤,故功能型光纤传感器亦称全光纤型或传感型光纤传感器。另一类为非功能型调制,调制区在光纤之外,外界信号通过外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制,这类光纤传感器称为非功能型(NonFunctionalFiber,NF玛或非本征型光纤传感器,发射光纤与接收光纤仅起传输光波的作用,称为传光光纤,不具有连续性,故非功能型光纤传感器也称传光型光纤传感器或外调制型光纤传感器。根据被外界信号调制的光波的物理特征参量的变化情况,可将光波的调制分为光强度调制、光波长调制、光相位调制和偏振调制等四种类型。由于现有的任何一种光探测器都只能响应光的强度,而不能直接响应光的频率、波长、相位和偏振态这四种光波物
5、理参量,因此光的频率、波长、相位和偏振调制信号都要通过某种转换技术转换成强度信号,才能为光探测器接收,实现检测。1. 功能型光纤传感器功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件, 被测量对光纤内传输的光进行调制, 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化, 再通过对被调制过的信号进行解调, 从而得出被测信号。光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高。典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等2. 非功能型光纤传感器非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化, 光纤仅作为信息的传输介质，
6、常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术；比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。3. 拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。1.2 光纤传感器的市场情况光纤传感器的应用还属于发展阶段，随着光纤造价不断降低以及光纤传感器的诸多环境应用优势而发展迅速。武汉理工光科股份有限公司是目前号称国内最大的光纤传感器生产商，其2008年营业额约为7000万元左右。而真正规模比较大的公司是能够提供传感器与工业诊断
7、应用业务平台的公司，如瑞蓝思raylens的永久光纤气井井下温度压力监测系统。2 光纤传感器的分类2.1 光强调制型光纤传感光强调制是光纤传感技术中相对比较简单,用得最广泛的一种调制方法。其基本原理是利用外界信号(被测量)的扰动改变光纤中光(宽谱光或特定波长的光)的强度,再通过测量输出光强的变化(解调)实现对外界信号的测量。根据调制区与光纤的关系,可将光强调制调制分为非功能型与功能型调制。2.1.1 非功能型光强调制非功能型光强调制的具体调制方法很多,其基本原理是,根据光束位移、遮挡、祸合及其他物理效应=108,通过一定的方式使进入接收光纤的光强随外界信号变化而改变。基本调制方式大致可分为三种
8、类型:物理效应型、光束切割型和光闸型。1. 物理效应型光强调制目前用于非功能型光强调制的物理效应主要有热效应、荧光效应、透明效应、和热辐射效应。热色效应是指某些物质的光吸收谱强烈地随温度变化而变化的物理特征。而具有热色效应的物质称为热色物质。荧光效应是指某些荧光物质的荧光特性随温度变化的物理特性。荧光物质的荧光现象一般遵循斯托克斯或反斯托克斯定律,长波长光辐射(烧D红外光)为荧光物质吸收,通过双光子效应激发出短波长辐射(可见光)的荧光现象称为斯托克斯效应或上转换荧光现象。短波长光辐射(紫外线、x射线)为荧光物质吸收,激发出长波长光辐射(可见光)的荧光现象称为反斯托克斯效应或下转换荧光现象。透明
9、度效应主要是指某些物质的透明度随外界信号变化而变化的物理效应。如某些化学试剂对一定波长光的透明度随溶液的pH值变化,某些半导体材料对一定波长光的透明度随外界温度变化等。利用这一物理效应可实现外界信号对光纤中一定波长光的强度进行调制。热辐射效应是指根据普朗克黑体辐射定律,如果己知物体的热辐射率,则测量某一波长下的功率密度就可求出被测温度。2. 光束切割及光闸型光强调制光束切割式光强调制的基本原理是:外界信号按照一定的规律控制接收光纤的人射端或发射光纤的出射端,或特定的反射或透射光学元件,使其产生相应的线位移或角位移,导致进入接收光纤的光束被切割,从而对光纤传输的光强进行调制。光闸型光强调制的基本
10、原理是:在发射光纤与接收光纤之间加置一定形式的光闸,对进入接收光纤的光束产生一定程度的遮挡,外界信号通过控制光闸的位移来制约遮光程度,实现对进入接收光纤的光强进行调制。光闸的形式很多,有简单的遮光片式、散光式,也有比较复杂的光栅式、码盘式等。2.1.2 功能型光强调制功能型光强调制的调制区发生在传感光纤内.其基本原理是外界信号(被测量)通过改变传感光纤的外形、纤芯与包层折射率比、吸收特性及模式祸合特性等方法对光纤传输的光波强度进行调制。目前用于功能型光强调制的主要有变折射率、微弯损耗及变吸收特性等类型。1. 变折射率在光纤纤芯的折射率飞不变的情况下,如果光纤某部位的包层折射率随外界信号而变化,
11、或者光纤某部位的纤芯与包层的折射率均发生变化,则该敏感部位的相对折射率差随外界信号而变化,从而导致传感光纤的敏感部位渐逝波损耗,即对光纤中的光强进行调制。2. 微弯损耗如果外界信号按照一定的规律使光纤发生周期很小的波状变化,光纤将沿其轴线产生周期性微小弯曲。光纤弯曲将造成传输损耗,光纤中传输的光强因光纤微弯损耗受到调制。光纤微弯损耗与光纤宏观弯曲损耗的机制类似,也源于空间滤波、模式泄漏和模式祸合效应.但起主导作用的不是空间滤波而是模式祸合,即纤芯中传输的导模祸合到辐射模中随之辐射到光纤之外。3. 变吸收特性由对某些射线辐射敏感的材料制成的光纤,其吸收损耗随敏感射线辐射量的增加而加大,借此可对光
12、纤中的光强进行调制。如选用铝玻璃制成的光纤,则对x射线、了射线、中子射线最敏感。利用变吸收特性光强调制原理制成的光纤传感器灵敏度高,线性范围大,实时性好,且结构灵活小巧,适合各种放射性测量。2.2 光相位调制型光纤传感光相位调制是指外界信号(被测量)按照一定的规律使光纤中传播的光波相位发生相应的变化,光相位的变化量即反映被测外界量。光纤传感技术中使用的光相位调制大体有三种类型。一类为功能型调制,外界信号通过光纤的力应变效应、热应变效应、弹光效应及热光效应使传感光纤的几何尺寸和折射率等参数发生变化,从而导致光纤中的光相位变化,以实现对光相位的调制。第二类为萨格奈克(sagnac)效应调制,外界信
13、号(旋转)不改变光纤本身的参数,而是通过旋转惯性场中的环形光纤,使其中相向传播的两光束产生相应的光程差,以实现对光相位的调制。第三类为非功能型调制,即在传感光纤之外通过改变进入光纤的光波光程差实现对光纤中光相位的调制。2.3 光偏振调制型光纤传感偏振调制,是指外界信号(被测量)通过一定的方式使光纤中光波的偏振面发生规律性偏转(旋光)或产生双折射,从而导致光的偏振特性变化,通过检测光偏振态的变化即可测出外界被测量。光纤传感技术中使用的光偏振调制大体两种类型。一类是利用光纤的磁光效应,另一类则利用光纤的弹光效应。磁致旋光效应(法拉第效应)简称磁光效应,是指某些物质在外磁场的作用下,能使通过它的平面
14、偏振光的偏振方向发生旋转。存在磁致旋光效应的物质称为法拉第材料。假设法拉第材料的长度为L,沿长度方向施加的外磁场强度为H,则线偏振光通过它后偏振方向旋转的角度即可通过算法计算。弹光效应又称光弹效应,它是一种应力应变引起双折射的物理效应。当传感光纤受轴向应力作用时。由于应变引起光纤的折射率变化,从而导致光相位变化,这是一种纵向弹光效应。而在传感光纤的通光正交方向施加应力,则在受力部分产生各向异性.引起双折射,是一种横向弹光效应。由应力引起的感应双折射正比于所施加的应力。2.4 光偏振调制型光纤传感外界信号(被测量)通过选频、滤波等方式改变光纤中传输光的波长,测量波长变化即可检测到被测量,这类调制
15、方式称为光波长凋制。目前用于光波长调制的方法主要是光学选频和滤波。传统的光波长调制方法主要有光纤F-P腔干涉式滤光、里奥特偏振双折射滤光及各种位移式光谱选择等外调制技术。上世纪90年代以来,尤其近几年迅速发展起来的光纤光栅滤光技术为功能型光波长调制技术开辟了新的前景。3 光纤传感器的工业应用领域光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面的应用：1) 在建筑材料混凝土梁应变监测中的应用。光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中，用于
16、测试应力松弛、施工应力和动荷载应力，从而来评估混凝土梁短期、施工阶段和长期状态的结构性能。2) 在桥梁安全监测中的应用。目前，应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。 3) 在化学测量中的应用，光纤传感器可用于化学量传感,因为光纤传感器中的光波长可随折射率的变化而变化,环境中的化学物质浓度变化会引起折射率变化。最近报道利用写在侧面磨光的D形光纤上的长周期光纤光栅传感器实现了一些化学量的测量,它的原理是利用长周期光栅的同向祸合特性来测量折射率。对于不同的环境折射率,长周期光纤光栅在其透射谱中有相应的波长吸收峰。长周期光栅对传递光纤包层材料折射率的变化比光纤布拉格光栅更为敏感,包层材料折射率的任何变化都会改变传输光谱的特性,使吸收峰发生改变,所以长周期光栅折射率测量系统的分辨率可实现10一的灵敏度。目前已经用长周期光栅传感器测出了许多化学物质的浓度,如蔗糖
