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1、电气检测技术论文电气检测技术论文题题 目目 光纤传感器的研究光纤传感器的研究 学院名称学院名称 电气工程学院电气工程学院 指导教师指导教师 肖金凤肖金凤 班班 级级 电力电力 072072 学学 号号 2007445024020074450240 学生姓名学生姓名 王武 2010 年 5 月 17 日光纤传感的研究光纤传感的研究【摘要摘要】本文介绍了光纤传感器的基本原理, 总结了光纤传感器对传统的仪器仪表工业的促进作用, 指出了光纤传感器研究中存在的问题及发展趋势。【关键词关键词】传感技术光纤传感器介绍了引言引言光纤传感技术是随着光导纤维和光纤通信技术的发展而形成的崭新技术。光纤传感器技术研究
2、最早开始于 1977 年，美国海军研究所开始执行由查尔斯。M。 戴维斯博士主持的 Foss(光纤传感器系统)计划。早期的光纤传感器因为存在价格昂贵、技术不够成熟等问题，在工程上没有得到广泛的应用。光纤传感技术具有极高的灵敏度和精度，良好的抗电磁场干扰能力，高绝缘强度以及耐高温、耐腐蚀、轻质、柔韧带等优点。随着光传感器技术的发展和工艺水平的提高，光纤传感器的应用得到了大力推广，很多国家不遗余力地加大对光纤传感器的研究力度，由于光纤传感具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠、耐腐蚀、可构成光纤传感网等诸多优点,而且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
3、行测定，发展空间相当广阔。 它在航天航海、石油开采、电力传输、核工业、医疗、科学研究等众多领域的产过程自动控制、在线检测、故障诊断等方面有均有广阔的应用前景；光纤传感器由于其独特的优点而被引入土木工程，广泛应用于建筑结构应变及桥梁结构健康监测、混凝土力学性能测试及检测等领域。光纤传感器技术对检测技术和仪器仪表等行业的促进作用可归纳为: ( 1) 使传统产品现代化,即利用先进的光纤传感和光电子技术改造传统产品,使其具有更先进的性能。( 2) 提供更新换代的产品, 更好地满足现场使用的高要求。( 3) 形成新的技术分支。因此, 它对科学技术、工农业生产、国防建设的发展, 将会产生巨大的影响。1 1
4、 光纤传感器的原理光纤传感器的原理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，光纤按材料组成分为玻璃光纤和塑料光纤；按光纤纤芯和包层折射率的分布可分为阶跃折射率型光纤和梯度折射率光纤两种。光纤能够约束引导光波在其内部或表面附近沿轴线方向向前传播，具有感测和传输的双重功能，是一种
5、非常重要的智能材料。 光纤传感技术是用光纤对某些物理量的敏感特性,将外界物理量转换成可以直接测量的信号技术。仪器仪表行业中, 光纤最早用于传光及传像。20 世纪 70 年代初生产出低损光纤后, 光纤在通信技术中用于长距离传递信息。由于光纤不仅作为光波的传播媒质; 而且光纤中传播光波时, 光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)会因外界因素(温度、压力、应变、磁场、电场、位移、转动等)间接或直接地发生变化,从而可将光纤用作传感元件探测物理量, 其原理见图 1。根据光纤在传感器中的作用, 光纤传感器可分为功能型、非功能型、拾光型三大类。( ( 1)1) 功能型光纤传感器功能型光纤传感器: 光纤
6、不仅作为导光媒质也是敏感元件, 光在光纤内受被测量调制; 它的优点是结构紧凑、灵敏度高,但它须用特殊光纤和先进的检测技术, 因此成本高。典型例子, 如光纤陀螺等。( ( 2)2) 非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器: 光纤仅起导光作用, 光照在非光纤型敏感元件上受被测量调制; 因其无需特殊光纤及特殊技术, 易实现、成本低, 但灵敏度也较低, 常用于灵敏度要求不太高的场合。目前的光纤传感器大多是非功能型的。( ( 3)3) 拾光型光纤传感器拾光型光纤传感器: : 采用光纤作为探头, 接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。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。2 光纤
7、传感器的特点光纤传感器的特点研究和工程应用表明光纤传感器具有如下特点：(1) 高灵敏度，抗电磁干扰。由于光纤传感器检测系统很难受到外界场的干扰，且光信号在传输中不会与电磁波发生作用，也不受任何电噪声的影响，由于这一特征，光纤传感器在电力系统的检测中得到了广泛应用。(2) 光纤具有很好的柔性和韧性，所以传感器可以根据现场检测需要做成不同的形状。(3) 测量的频带宽、动态响应范围大。(4) 可移植性强，可以制成不同的物理量的传感器，包括声场、磁场、压力、温度、加速度、位移、液位、流量、电流、辐射等。(5)可嵌入性强，便于与计算机和光纤系统相连，易于实现系统的遥测和控制。光纤传感器也存在急待解决的问
8、题( 如光纤传感器的输出信号会受到光源波动、光纤传输损耗变化、探测器老化等因素的影响； 组成光纤传感器各元件的本身性能对测量精度的影响等)3 3 光纤传感器的促进作用光纤传感器的促进作用3.13.1 改造传统仪表产品改造传统仪表产品利用先进的光电子和光纤传感技术对传统仪器进行改造, 扩展功能, 使其具有实时、在线、遥测、联网等先进性能。例如: (1) 采用遮光式光码盘改造传统的指针式仪表: 传统的盒式压力计、双金属温度计、腰轮流量计、浮子式液位计等, 当与光纤传感技术相结合, 把测量结果变成光信号再用光纤传至控制室, 就可利用这些传统的仪表实现对现场诸参量在线、实时检测, 并有安全好、精度高、
9、可与计算机联网等优点, 在石油、化工等易燃易爆行业具有广阔的应用前景。(2) 采用光纤和光纤器件改造传统的光谱仪器: 传统的光度计、光谱仪等分析仪器, 当与光纤探头相结合, 并用光纤传输测量结时, 就可使这类仪器成为一套具有实时、在线、遥测功能的先进检测系统。例如: 光度计、光谱仪等分析仪器以及计算机等数据处理系统在控制室, 而探测用光纤探头在数十或数百米外的工作现场, 这类系统在环境监测、化工生产领域可有广阔的应用前景。(3)采用电/光和光/电转换技术, 以及光纤传输技术, 把传统的电子式仪表改造成安全可靠的技术先进的光纤式仪表: 光纤式大电流、高电压传感器是典型实例之一。传统的电流互感器是
10、按电磁感应原理, 把高压端的大电流转换成小电流, 在低压端进行测量。其成本主要用于解决绝缘问题, 而且随着电压等级的上升而呈指数增加成本。再者, 绝缘的可靠性也是这类互感器的隐患。目前解决方案之一是用光电和光纤技术对其进行改造。常将电磁式电流互感器置于高压端(如高于 220kV), 利用其感应信号调制半导体发光管, 由光纤将载有调制信号的光强传送到地面控制室, 由光/电转换器变换成电信号, 再经信号处理单元输出被测电流的测量值。3.23.2 构成新型测试仪器构成新型测试仪器例如: (1) 光纤陀螺。用于导航、石油、交通(高速列车、自动驾驶)等行业的光纤陀螺, 是一种新型角速度敏感元件; 与传统
11、的陀螺相比, 光纤陀螺无闭锁、易于微型化, 可用于不同精度的应用场合, 保持较高的性价比; 同时因其无惯性、动态范围宽、体积小、重量轻、功耗小、灵敏度高、寿命长等优点, 它已成为新一代的导航仪器(尤在军工领域)。(2) 光纤声纳。属于高灵敏度的传感器, 是军方探潜的新一代声纳系统, 也用于海上石油勘探和油田监测; 它是相位调制光纤传感器中的重要类型, 主要优点是灵敏度高、频带宽、线性好、便于构成传感网等。(3) 光纤多相流传感器: 多相流测量是石油、化工、电力等行业的重要技术。它是多相流测量中的一枝新秀。例如, 光纤多相流层析技术, 光纤气液二相流的气泡检测技术等。基本原理是利用光纤端面的全反
12、射作用来检测光纤端面处是液相还是气相。3.33.3 形成新的技术分支形成新的技术分支(1)(1) 光纤光栅传感网光纤光栅传感网: 光纤光栅是最近几年发展迅速的光纤无源器件, 它在光纤通信、光纤传感等领域都有广阔的应用前景。光纤光栅是用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化) 在纤芯内形成空间相位光栅, 作用实质是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射) 滤光器或反射镜。利用这一特性可构成许多独特性能的光纤无源器件和光纤传感器, 例如: 光纤激光器、光纤滤波器、光纤波分复用器, 以及用于应力、应变、温度等参量检测的光纤传感器和各种(简单或复杂的)光纤传感网。目前已
13、有采用光纤光栅测量应力、应变、温度等参量以及构成光纤生物、化学传感器的许多报道, 主要内容是如何提高灵敏度, 扩大动态范围。提高灵敏度的途径, 包括改变包层材料, 改变光纤结构, 改变光纤成分等。再者, 采用光纤光栅构成多参量传感器和光纤传感网也是目前研究热点之一。( ( 2)2) 分布式光纤传感网分布式光纤传感网: 分布式光纤传感器是指以光纤为传感介质, 利用光波在光纤中传输的特性, 给出沿光纤长度方向每一点的被测量值。这是光纤特有的一种新型传感器, 它可给出大空间里温度或应力等参量的分布值。例如, 一个 20 km 的分布式温度传感器, 可给出 20 km 内每一点(例如每米或每 5 m)
14、的温度值。构成分布式光纤传感器, 需要解决两个问题: 一是传感元件能够给出被测量沿空间位置的连续变化值;二是准确给出被测量的所在空间位置。对于前者, 可利用光纤中的传输损耗、模耦合、传播的相位差、非线性效应( 例如光波的频移) 等给出连续分布的测量结果;对于后者, 可利用光时域反射技术、扫描干涉技术等给出被测量的所在空间位置。( ( 3)3) 用于智能材料和结构的光纤传感技术用于智能材料和结构的光纤传感技术: 在材料和结构的制造过程中, 将传感元件和驱动元件埋入其中, 传感元件可对结构的状态参数(如应变、温度、损伤程度等)进行实时测量; 驱动元件可对结构状态作必要的调节或控制, 可保证结构安全
15、运行并工作在最佳状态。因为这种结构具有一定的“智能”, 故称为智能结构。这种光纤传感器由于具有体积小、损耗低、灵敏度高、抗电磁干扰、电绝缘性好、带宽大等优点, 可以同时作为传感元件和传输媒质, 并实现多点或分布式测量, 因而它是最有前途用于智能结构的传感技术, 也是国内外目前研究热点之一。4 光纤传感器的技术发展方向光纤传感器的技术发展方向光纤传感技术经过 20 余年的发展也已获得长足的进步，出现了很多实用性的产品，然而实际的需要是各种各样的，光纤传感技术的现状仍然远远不能满足实际需要。目前，光纤传感器技术发展的主要方向是。(1) 传感器的实用化研究传感器的实用化研究。即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量，要能够对多种物理量进行同时测量。(2) 提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度，降低其成本提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度，降低其成本，设计复杂的传感器网络工程。注意分布式传感器的参数，即压力、温度，特别是化学参数(碳氢化合物、一些污染物、湿度、PH 值等)对光纤的影响。(3) 传感器用特殊光纤材料和器件的研究。传感
