光纖傳感器的發展趨勢及應用
2016-03-01
近年來，傳感器朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質軟、重量輕的機械性能;絕緣、無感應的電氣性能;耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等，它能夠在人達不到的地方(如高溫區或者對人有害的地區，如核輻射區)，起到人的耳目作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。
基本工作原理及應用領域
光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經過光纖送入調制器，使待測參數與進入調制區的光相互作用后，導致光的光學性質(如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態等)發生變化，稱為被調制的信號光，在經過光纖送入光探測器，經解調后，獲得被測參數。
光纖傳感器的應用于對磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉矩、光聲、電流和應變等物理量的測量。光纖傳感器的應用范圍很廣，幾乎涉及國民經濟和國防上所有重要領域和人們的日常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環境中使用，解決了許多行業多年來一直存在的技術難題，具有很大的市場需求。主要表現在以下幾個方面的應用：
城市建設中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應用。光纖傳感器可預埋在混凝土、碳纖維增強塑料及各種復合材料中，用于測試應力松馳、施工應力和動荷載應力，從而評估橋梁短期施工階段和長期營運狀態的結構性能。
在電力系統，需要測定溫度、電流等參數，如對高壓變壓器和大型電機的定子、轉子內的溫度檢測等，由于電類傳感器易受電磁場的干擾，無法在這類場合中使用，只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發展起來的一種用于實時測量空間溫度場分布的高新技術，分布式光纖溫度傳感系統不僅具有普遍光纖傳感器的優點，還具有對光纖沿線各點的溫度的分布傳感能力，利用這種特點我們可以連續實時測量光纖沿線幾公里內各點溫度，定位精度可達米的量級，測量精度可達1度的水平，非常適用大范圍交點測溫的應用場合。
光纖傳感器的分類
光纖傳感器可分兩大類：一類是功能型(傳感型)傳感器;另一類是非功能性(傳光型)傳感器。
功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內傳輸的光進行調制，使傳輸的光的強度、相位、頻率或偏振態等特性發生變化，現通過被調制走的傳導進行解調，從而得出被測信號。
光纖在其中不僅是導光媒質，而且也是敏感元件，光在光纖內被測量調制，多采用多模光纖。
優點：結構緊湊，靈敏度度。缺點：須用特殊光纖，成本高。典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。
非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質，常采用單模光纖。光纖在其中僅起導光作用，光照在光纖型敏感元件上被測量調制。
優點：無需特殊光纖及其他特殊技術，比較容易實現，成本低。缺點：靈敏度較低。實用化的大都是非功能型的光纖傳感器
目前光纖傳感器已經有70多種，光纖聲傳感器是一種利用光纖自身的傳感器。當光纖受到一點很微小的外力作用時，就會產生微彎曲，而其傳光能力發生很大的變化。聲音是一種機械波，它對光纖的作用就是使光纖受力并產生彎曲，通過彎曲就能夠得到聲音的強弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種。與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本低，可以用于飛機、艦船、導彈等的高性能慣性民航系統。
熒光光纖傳感器
與化學傳感器不同，光纖生物傳感器主要是利用熒光免疫競爭原理實現對分析物的檢測。Shriver-Lake等人發展了一種適合于多目標檢測的熒光光纖傳感器，采用免疫競爭方法可同時檢測TNT和RDX(三次甲基三硝基胺)兩種爆炸物。他們將抗體固定在光纖表面，熒光標記抗原與自由抗原在光纖表面進行免疫競爭，通過檢測熒光強度的變化，可定量檢測爆炸物的體積分數。需要指出的是，雖然熒光光纖生物傳感器具有靈敏度高、選擇性好等優點，但使用穩定性差是其難以克服的缺陷。
隨著新的熒光敏感材料的出現，爆炸物的熒光檢測方法也在不斷發展。Swager小組利用微納米顆粒材料比表面大的特點，利用層層組裝技術將共軛熒光高分子固定于微球表面，制成了可對硝基芳烴類炸藥實現靈敏檢測的功能熒光微球材料，并形象地稱其為“智能砂子”。針對共軛熒光高分子薄膜熒光傳感器的局限性，提出了以固定化多環芳烴的超分子行為為基礎的傳感薄膜材料設計新思想，制備了十余種新型傳感薄膜材料，已實現了對有機二酸等的選擇性檢測。實驗發現，在這些薄膜中，芘功能化薄膜對空氣中硝基芳烴類化合物的存在十分敏感，其靈敏度可與共軛熒光高分子薄膜相媲美，展現出很好的應用開發前景。可以預期，薄膜熒光傳感器所具有的巨大優勢必將使其在硝基芳烴類炸藥的超靈敏快速檢測方面獲得際應用。
分布式光纖監測技術
20世紀70年代，光纖監測技術伴隨著光導纖維及光纖通信技術的發展而迅速發展起來。與傳統的監測技術相比，光纖監測技術有一系列獨特的優點：
光纖傳感器以光信號作為載體，光纖為媒質，光纖的纖芯材料為二氧化硅，因此，該傳感器具有耐腐蝕、抗電磁干擾、防雷擊等特點，屬本質安全。
光纖本身輕細纖柔，光纖傳感器的體積小、重量輕，不僅限于布設安裝，而且對埋調部位的材料性能和力學參數影響甚小，能實現無損埋設。
靈敏度高，可靠性好，使用壽命長。分布式光纖監測技術除了具有以上的特點外，還具有以下兩個顯著的優點：可以準確地測出光纖沿線任一點的監測量，信息量大，成果直觀;光纖既作為傳感器，又作為傳輸介質，結構簡單，不僅方便施工，潛在故障大大低于傳統技術，可維護性強，而且性能價格比好。
分布式光纖經久耐用，安全可靠，由它構成的網絡可以遍布壩體，這些光纖網絡猶如神經系統，可以感知壩體各部位相關信息，大壩因此而有望成為一種機敏結構。分布式光纖監測技術是當代高科技的結晶，是一種理想的大壩安全監測系統，廣大安全監測工作者應予以積極推廣。
光纖測溫技術
光纖測溫技術是近年才發展起來的新技術，并已逐漸顯露出某些優異特性。可是，正象其他新技術一樣，光纖測溫技術并不是萬能的，它不是用來代替傳統方法，而是對傳統測溫方法的補充與提高。充分發揮它的特長，就能創造出新的測溫方案與技術應用的場合，如下所述：
強電磁場下的溫度測量。高頻與微波加熱方法受到人們重視，正在向如下領域逐漸擴展：金屬的高頻熔煉、焊接與淬火、橡膠的硫化、木材與織物的烘干以及制藥、化工，甚至家庭烹調等。光纖測溫技術在這些領域中有著絕對優勢，因為它既無導電部分引起的附加升溫，又不受電磁場的干擾。
高壓電器的溫度測量。最典型的應用是高壓變壓器繞阻熱點的溫度測量。英國電能研究中心從20世紀70年代中期就開始潛心研究這一課題，起初是為了故障診斷與預報，后來又用于計算機電能管理的應用，轉入了安全過載運行，使系統處于最佳功率分配狀態。另一類應用的場合是各種高壓裝置，如發電機、高壓開關、過載保護裝置，甚至架空電力線和地下電纜等。
易燃易爆物的生產過程與設備的溫度測量。光纖傳感器在本質上是防火防爆器件，它不需要采用隔爆措施，十分安全可靠。與電學傳感器相比，既能降低成本又能提高靈敏度。例如，大型化工廠的反應罐工作在高溫高壓狀態，反應罐表面溫度特性的實時監測可確保其正確工作，將光纖沿反應罐表面鋪設成感溫網格，這樣任何熱點都能被監控，可有效地預防事故發生。
高溫介質的溫度測量。在冶金工業中，當溫度高于1300℃或1700℃時，或者溫度雖不高但使用條件惡劣時，尚存在許多測溫難題。充分發揮光纖測溫技術的優勢，其中有些難題可望得到解決。例如，鋼液、鐵液及相關設備的連續測溫問題，高爐爐體的溫度分布等，有關這類研究國內外都正在進行之中。
橋梁安全檢測。國內在大橋安全檢測項目中，采用了光纖光柵傳感器，檢測大橋在各種情況下的應力應變和溫度變化情況。在大橋選定的端面上布設了8個光纖光柵應變傳感器和4個光纖光柵溫度傳感器，其中8個光纖光柵應變傳感器串接為1路，4個溫度傳感器串接為1路，然后由光纖傳輸到橋管所，實現大橋的集中管理。從測試結果來看，光纖光柵傳感器所取得的測試數據與預期結果一致。
鋼液澆鑄檢測。連鑄機在澆鑄時，為防止鋼液被氧化、提高質量，希望鋼液在與空氣完全隔絕的狀態下，從大包流到中間包。但實際上，在大包澆鑄完時，是由操作員目視判斷渣是否流出，因而在大包澆鑄結束前5~10分鐘之間，密閉狀態已破壞。為了防止鑄坯質量劣化及錯誤判斷漏渣，研制出光纖漏渣檢測裝置。
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