光纖傳感器的發(fā)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(fā)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(yōu)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(qū)或者對人有害的地區(qū)，如核輻射區(qū))，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(qū)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(tài)等)發(fā)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(huán)境中使用，解決了許多行業(yè)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(tài)的結構性能。
在電力系統(tǒng)，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(fā)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(tǒng)不僅具有普遍光纖傳感器的優(yōu)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(xù)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(tài)等特性發(fā)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(yōu)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(yōu)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(fā)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(tǒng)。
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(fā)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(yōu)點，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，爆炸物的熒光檢測方法也在不斷發(fā)展。Swager小組利用微納米顆粒材料比表面大的特點，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(huán)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(fā)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(fā)前景?？梢灶A期，薄膜熒光傳感器所具有的巨大優(yōu)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(jiān)測技術
20世紀70年代，光纖監(jiān)測技術伴隨著光導纖維及光纖通信技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來。與傳統(tǒng)的監(jiān)測技術相比，光纖監(jiān)測技術有一系列獨特的優(yōu)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(jiān)測技術除了具有以上的特點外，還具有以下兩個顯著的優(yōu)點：可以準確地測出光纖沿線任一點的監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)，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(jiān)測技術是當代高科技的結晶，是一種理想的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，廣大安全監(jiān)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(fā)展起來的新技術，并已逐漸顯露出某些優(yōu)異特性?？墒?，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?zhèn)鹘y(tǒng)方法，而是對傳統(tǒng)測溫方法的補充與提高。充分發(fā)揮它的特長，就能創(chuàng)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(yōu)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(tǒng)處于最佳功率分配狀態(tài)。另一類應用的場合是各種高壓裝置，如發(fā)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(tài)，反應罐表面溫度特性的實時監(jiān)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(jiān)控，可有效地預防事故發(fā)生。
高溫介質的溫度測量。在冶金工業(yè)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(fā)揮光纖測溫技術的優(yōu)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(xù)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(tài)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(tài)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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