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1、光纤传感技术光纤传感技术光纤传感器主要有传感型和传光型两大类, 两类传感器在传感原理上均可分为光强调制、相位调制、偏振态调制及波长调制不同形式, 由此构成不同的传感器2. 1 光纤 Fabry- Perot 传感器光纤 Fabry- P erot( F- P)传感器是用光纤构成的 F- P 干涉仪, F- P 腔是传感器的核心。光纤 F - P 传感器主要由两个端面平行并镀膜, 严格同轴密封在筒形结构中的光纤组成。入射光在两个端面分别反射并发生分别为入射光波长和腔内物质折射率。当外界作用使得腔体长度 L 发生变化时, 可通过位相的变化引起的反射光强变化感知外界作用的大小。2. 1.光纤 F-
2、P 传感器2. 2 光纤 Sagnac 传感器光纤 Sagnac 传感器基于 Sagnac 干涉原理, 激光器光束分两束分别从两端进入光纤环, 并从一端进入探测器。光纤环中两路方向相反光束的非互易光程差与垂直于光纤环平面、惯性空间的角速度! 关系为: 。由相位差可确定光纤环相对惯性空间的转动。2. 3 光纤光栅传感器光栅 Bragg 传感器2. 4 光纤微弯传感器2. 5 光强耦合位移传感器2. 6 光纤荧光传感器荧光材料的温度特性是测温的基础, 微量稀土磷化合物可被参杂于光纤, 组成探头, 受激发出荧光。荧光的强度或寿命随温度变化而变化, 探测其变化可达到测温的目的。热辐射效应光强调制型光纤
3、温度传感器属于被动式光强调制传感器, 用于高温测量时高温光纤黑体腔探头的谱功率密度出射率可以用 P lank 公式表示为 探测能量的变化就可确定温度, 由于光纤给出的输出光强是非线性的指数信号, 需要采用折线逼近的方法线性化, 精度取决于折线段的选择。2. 7 光纤电流传感器光纤及光学材料的磁光、电光和光弹效应可被用于电参量的测量。典型的是熔石英光纤 Faraday 效应, 电流磁场使得光纤中的偏振光发生旋转,通过对探测到的偏振光强度解算可测量电流。用于电场参数探测的电光材料包括锗酸钠、铌酸锂晶体等。光纤传感器应用技术分析电参数测量基于 F araday、Pockels、Kerr 等磁光、电光
4、效应及压电、磁致伸缩效应, 光纤传感器用于电流、电压、电功率等电磁参数的测量。与传统的传感器相比, 它具有运行安全可靠、尺寸小、自身功耗低、频带宽、抗干扰、无线圈铁芯、易于组网和遥测等突出特点。以光纤和电光、磁光晶体为基础构成的全光纤电压、电流及组合互感器(OCT、OVT )技术趋于成熟, 目前可以测量几安培至上千安培的电流, 几十伏至几百千伏的电压, 并具有很高的测量准确度。它与光纤温度传感器组合可被应用于智能电站、输变电装置; 被放置在大型发电、动力机组的绕组内进行运行参数自动监测, 是新一代电力及驱动系统电参数综合测量技术的发展方向。在光纤电磁参量测量中, 影响传感器测量性能的主要因素包
5、括光学部件的双折射、热光效应和温度稳定性, 光学补偿双光路、双晶体的精密加工是改善性能的技术关键。力学参数测量光纤传感器对力学参数的测量已被应用桥梁、大坝等结构工程及石油钻井中的应力、压力监测, 飞行器智能结构和动力机组等大型运动机构的振动监测。微弯损耗、FP 干涉、FG 微形变测量等不同形式的传感器可测量几十帕到上兆帕的压力, 可传感亚微米幅度, 高达几十千赫兹范围的微振动。FBG 传感器具有较高的测量性能, 并能将多达上百个传感器组网分布测量。目前对 Bragg 波长的探测分辨率已达到 pm 量级, 石英光纤的应变灵敏度系数 0. 78 B, 测量范围 1%, 并符合很好的线性关系。但光纤
6、自身细脆, 受异向作用和环境温度的影响较大, 因此 FG 中间层的应力传递关系成为提高传感器性能的关键。为了提高 FBG 的实用性能, 必须采取有效的应变测量增敏和环境温度去敏措施, 其中封装材料和结构形式是提高 FBG 应变灵敏度, 降低环境温度影响的重要因素。相比较而言, 由于精确波长探测的复杂性, FBG 应变传感器的成本较高, 并存在着范围小、相对测量等一些局限。在一些场合中光纤微弯、FP 测量具有更高的实用性运动几何参数测量基于 Sagnac 效应的光纤陀螺仪( FOG)是一类重要的角运动测量传感器, 自上世纪七十年代第一台样机出现以来, 光纤陀螺仪全固态结构的可靠性等特点已充分展现
7、, 被广泛应用于飞行器等运动载体的导航、制导、稳定、定向及跟踪。光纤陀螺主要包括开环和闭环两类, 后者以 Y 波导替代开环的偏振、耦合、解调等器件, 精度较高, 技术也相应更复杂。目前国外先进光纤陀螺仪的性能已经达到惯性导航级, H oneyw ell 公司的 FOG 零位漂移指标达到了 0. 00015%/h, 完全能够满足现代航天器等高精度应用场合的需要。影响光纤陀螺仪性能的主要因素包括光路的非互易性和温度、磁、振动等环境物理场的作用, 涉及到其材料、制造及测试标定技术的水平。光强耦合型的光纤位移传感器能够在几十微米的范围内分辨到十分之一微米大小的几何尺寸, 将光纤技术、图像技术及坐标测量
8、技术相结合, 可构成微小化的测量机构, 对尺寸几十微米到几毫米的内腔几何尺寸、表面特性进行精确测定, 准确度优于 0. 05#m。有研究报道, 利用光强调制型光纤对位移测量, 可以达到分辨力 0. 8A, 动态范围 110dB。改善光路特性的影响和信号处理技术、提高测量稳定性和探索新的测量方法, 是目前研发高精度光纤传感器微位移探测技术面临的问题。温度测量光纤荧光、光纤干涉和波长特性是光纤温度传感的基础。FBG 的温度波长灵敏度达到 10pm /& 左右,测量准确度较高, 但高温环境可对写入光纤中的光栅造成损坏, 因此对上限温度有限制。荧光传感器可适用于较高的温度场合, 一般能探测到 300&
9、 的高温范围, 准确度可达到 1%, 采用高温探头材料, 光纤荧光传感器可使用在 1000& 的高温环境, 是高温测量的重要方式。按照测量的温度范围、性能需要, 光纤荧光、FBG 及 FP 传感器都被应用于动力装置、石油井下作业、核反应堆工程的温度测量, 将光纤光栅传感器置于发电/动力机组的线圈内, 可连续、可靠的感知其运行温升情况, 对故障进行自动监控。相比较而言, 由于需要消除热环境下的应变影响, 并对波长变化精确探测,光纤光栅传感器测温的复杂程度、成本也较高, 适用于分布式组网测量。荧光、FP 和 FBG 均可用于温度探测, 相对而言,FP 和 FBG 技术的测量精度较高, FBG 自身
10、稳定性好、结构尺寸小, 并由于波复用技术组网更适用大规模的分布测量, 但对光源、解调要求严格, 相应技术复杂度、应用成本也较高, 荧光传感器适用于高温探测, 应用成本相对也较低。在光纤传感力学参数测量中, FBG 在结构健康监测的分布测量优势明显, 而光强探测的方法相对简单, 光纤微结构的弯曲效应在力学参数探测中也是十分重要的研究方向。目前干涉方法、光强耦合及图像技术是微结构几何量及表面特征参数探测的主要手段, 提高亚微米量级结构内尺寸测量分辨力及稳定性是面临的主要问题。光纤陀螺仪的小型化、实用化工作在不断发展。输电线路监测中采用的光纤传感技术目前，高压电力输电线路的安全监测手段主要有：视频监
11、视、人员巡视，另外也安装有多种电类传感器，包括导线张力传感器、塔顶位移传感器、温度传感器、导线扭转角传感器、加速度传感器和风力传感器等，用于测量输电导线的轴向张力、二维倾角、风速风向和温度、湿度等多个参数。高压电网环境恶劣，有强电磁干扰、监测距离长、范围广、温度变化范围大、湿度高、电腐蚀强等，并且必需要综合测量温度、应力、磁场、加速度、角度和位移等多个参量才能实时获得电缆温度、负荷、舞动、闪络等状态信息和准确判断事故的性质和影响程度。现有的测量手段都是传统的电类传感器，存在信息容量不大、测量效率不高、故障判断不准确、难以获取线路分布信息、电磁干扰绝缘要求高、成本高、传感器运行需要本地供电等缺点
12、，因而无法满足当前国家对电力输电线路故障综合监测的迫切重大需求。本方案中采用的光纤传感产品包括：光纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤应变传感器、光纤化学传感器、分布式光纤泄漏传感器、光纤位移传感器、光纤加速度传感器、光纤磁场传感器、光纤湿度传感器、光纤腐蚀传感器等，用于同时监测输电线路温度、负荷、舞动、位移等多种参数。预期将给智能电网发展带来里程碑式的推动。本系统使用的几种光纤传感器：（1）应变传感器：用于测量受拉力后产生形变的对象。缠绕式应变传感器适用于大应变检测。（2）锈蚀传感器：利用金属锈蚀产生的体积微应变，监测接地装置锈蚀情况。本系统使用的各种光纤传感器信号解调处理模块构成，是传感器系统局端设备，采用光波分、频分复用和时分复用等并行通信技术，高速处理现场传感器数据采集，以网络访问方式访问光纤传感器。线路状态监测功能包:
