光纖傳感器的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用
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時(shí)間：2011-03-11
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基本工作原理及應(yīng)用領(lǐng)域
光纖傳感器的基本工作原理是將來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱(chēng)為被調(diào)制的信號(hào)光，在經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。
● 城市建設(shè)中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應(yīng)用。光纖傳感器可預(yù)埋在混凝土、碳纖維增強(qiáng)塑料及各種復(fù)合材料中，用于測(cè)試應(yīng)力松馳、施工應(yīng)力和動(dòng)荷載應(yīng)力，從而評(píng)估橋梁短期施工階段和長(zhǎng)期營(yíng)運(yùn)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)性能。
● 在電力系統(tǒng)，需要測(cè)定溫度、電流等參數(shù)，如對(duì)高壓變壓器和大型電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)的溫度檢測(cè)等，由于電類(lèi)傳感器易受電磁場(chǎng)的干擾，無(wú)法在這類(lèi)場(chǎng)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(fā)展起來(lái)的一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的高新技術(shù)，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)不僅具有普遍光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，還具有對(duì)光纖沿線(xiàn)各點(diǎn)的溫度的分布傳感能力，利用這種特點(diǎn)我們可以連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量光纖沿線(xiàn)幾公里內(nèi)各點(diǎn)溫度，定位精度可達(dá)米的量級(jí)，測(cè)量精度可達(dá)1度的水平，非常適用大范圍交點(diǎn)測(cè)溫的應(yīng)用場(chǎng)合。
光纖傳感器的分類(lèi)
光纖傳感器可分兩大類(lèi)：一類(lèi)是功能型（傳感型）傳感器；另一類(lèi)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(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，現(xiàn)通過(guò)被調(diào)制走的傳導(dǎo)進(jìn)行解調(diào)，從而得出被測(cè)信號(hào)。
光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)被測(cè)量調(diào)制，多采用多模光纖。
優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度度。缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高。典型例子：光纖陀螺、光纖水聽(tīng)器等。
非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)，常采用單模光纖。光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上被測(cè)量調(diào)制。
優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)：靈敏度較低。實(shí)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(jīng)有70多種，光纖聲傳感器是一種利用光纖自身的傳感器。當(dāng)光纖受到一點(diǎn)很微小的外力作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力發(fā)生很大的變化。聲音是一種機(jī)械波，它對(duì)光纖的作用就是使光纖受力并產(chǎn)生彎曲，通過(guò)彎曲就能夠得到聲音的強(qiáng)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(jī)、艦船、導(dǎo)彈等的高性能慣性民航系統(tǒng)。
熒光光纖傳感器
與化學(xué)傳感器不同，光纖生物傳感器主要是利用熒光免疫競(jìng)爭(zhēng)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)分析物的檢測(cè)。Shriver-Lake等人發(fā)展了一種適合于多目標(biāo)檢測(cè)的熒光光纖傳感器，采用免疫競(jìng)爭(zhēng)方法可同時(shí)檢測(cè)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(biāo)記抗原與自由抗原在光纖表面進(jìn)行免疫競(jìng)爭(zhēng)，通過(guò)檢測(cè)熒光強(qiáng)度的變化，可定量檢測(cè)爆炸物的體積分?jǐn)?shù)。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(yōu)點(diǎn)，但使用穩(wěn)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(xiàn)，爆炸物的熒光檢測(cè)方法也在不斷發(fā)展。Swager小組利用微納米顆粒材料比表面大的特點(diǎn)，利用層層組裝技術(shù)將共軛熒光高分子固定于微球表面，制成了可對(duì)硝基芳烴類(lèi)炸藥實(shí)現(xiàn)靈敏檢測(cè)的功能熒光微球材料，并形象地稱(chēng)其為“智能砂子”。針對(duì)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(huán)芳烴的超分子行為為基礎(chǔ)的傳感薄膜材料設(shè)計(jì)新思想，制備了十余種新型傳感薄膜材料，已實(shí)現(xiàn)了對(duì)有機(jī)二酸等的選擇性檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在這些薄膜中，芘功能化薄膜對(duì)空氣中硝基芳烴類(lèi)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(xiàn)出很好的應(yīng)用開(kāi)發(fā)前景?？梢灶A(yù)期，薄膜熒光傳感器所具有的巨大優(yōu)勢(shì)必將使其在硝基芳烴類(lèi)炸藥的超靈敏快速檢測(cè)方面獲得實(shí)際應(yīng)用。
分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)
20世紀(jì)70年代，光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)。與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：
● 光纖傳感器以光信號(hào)作為載體，光纖為媒質(zhì)，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(diǎn)，屬本質(zhì)安全。
● 光纖本身輕細(xì)纖柔，光纖傳感器的體積小、重量輕，不僅限于布設(shè)安裝，而且對(duì)埋調(diào)部位的材料性能和力學(xué)參數(shù)影響甚小，能實(shí)現(xiàn)無(wú)損埋設(shè)。
● 靈敏度高，可靠性好，使用壽命長(zhǎng)。分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)除了具有以上的特點(diǎn)外，還具有以下兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：可以準(zhǔn)確地測(cè)出光纖沿線(xiàn)任一點(diǎn)的監(jiān)測(cè)量，信息量大，成果直觀(guān)；光纖既作為傳感器，又作為傳輸介質(zhì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅方便施工，潛在故障大大低于傳統(tǒng)技術(shù)，可維護(hù)性強(qiáng)，而且性能價(jià)格比好。
分布式光纖經(jīng)久耐用，安全可靠，由它構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)可以遍布?jí)误w，這些光纖網(wǎng)絡(luò)猶如神經(jīng)系統(tǒng)，可以感知壩體各部位相關(guān)信息，大壩因此而有望成為一種機(jī)敏結(jié)構(gòu)。分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)是當(dāng)代高科技的結(jié)晶，是一種理想的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，廣大安全監(jiān)測(cè)工作者應(yīng)予以積極推廣。
光纖測(cè)溫技術(shù)
光纖測(cè)溫技術(shù)是近年才發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，并已逐漸顯露出某些優(yōu)異特性?？墒?，正象其他新技術(shù)一樣，光纖測(cè)溫技術(shù)并不是萬(wàn)能的，它不是用來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法，而是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)溫方法的補(bǔ)充與提高。充分發(fā)揮它的特長(zhǎng)，就能創(chuàng)造出新的測(cè)溫方案與技術(shù)應(yīng)用的場(chǎng)合，如下所述：
● 強(qiáng)電磁場(chǎng)下的溫度測(cè)量。高頻與微波加熱方法受到人們重視，正在向如下領(lǐng)域逐漸擴(kuò)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(diào)等。光纖測(cè)溫技術(shù)在這些領(lǐng)域中有著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗葻o(wú)導(dǎo)電部分引起的附加升溫，又不受電磁場(chǎng)的干擾。
● 高壓電器的溫度測(cè)量。最典型的應(yīng)用是高壓變壓器繞阻熱點(diǎn)的溫度測(cè)量。英國(guó)電能研究中心從20世紀(jì)70年代中期就開(kāi)始潛心研究這一課題，起初是為了故障診斷與預(yù)報(bào)，后來(lái)又用于計(jì)算機(jī)電能管理的應(yīng)用，轉(zhuǎn)入了安全過(guò)載運(yùn)行，使系統(tǒng)處于最佳功率分配狀態(tài)。另一類(lèi)應(yīng)用的場(chǎng)合是各種高壓裝置，如發(fā)電機(jī)、高壓開(kāi)關(guān)、過(guò)載保護(hù)裝置，甚至架空電力線(xiàn)和地下電纜等。
● 易燃易爆物的生產(chǎn)過(guò)程與設(shè)備的溫度測(cè)量。光纖傳感器在本質(zhì)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(xué)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(chǎng)的反應(yīng)罐工作在高溫高壓狀態(tài)，反應(yīng)罐表面溫度特性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可確保其正確工作，將光纖沿反應(yīng)罐表面鋪設(shè)成感溫網(wǎng)格，這樣任何熱點(diǎn)都能被監(jiān)控，可有效地預(yù)防事故發(fā)生。
● 高溫介質(zhì)的溫度測(cè)量。在冶金工業(yè)中，當(dāng)溫度高于1300℃或1700℃時(shí)，或者溫度雖不高但使用條件惡劣時(shí)，尚存在許多測(cè)溫難題。充分發(fā)揮光纖測(cè)溫技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，其中有些難題可望得到解決。例如，鋼液、鐵液及相關(guān)設(shè)備的連續(xù)測(cè)溫問(wèn)題，高爐爐體的溫度分布等，有關(guān)這類(lèi) 光纖傳感器相關(guān)文章:光纖傳感器原理
評(píng)論