光纤传感器及其应用... 光纤传感器技术及其应用

光纤传感器技术及其应用

一：光纤传感器的定义、结构、特点与分类；

二：光纤传感器的原理与应用；

三：光纤传感器在检测技术中的应用 ；

四：光纤传感器的发展前景；

参看文献：《光纤传感器技术及其应用》；作者：王玉田

一：光纤传感器的定义、结构、特点与其分类；

1.定义，

中文名称：光纤传感器

英文名称：optical fiber transducer

定义1：利用光导纤维的传光特性，把被测量转换为光特性(强度、相位、偏振态、频率、波长)改变的传感器。

应用学科：航空科技（一级学科）；飞行控制、导航、显示、控制和记录系统（二级学科）。

定义2：利用光纤技术和光学原理，将感受的被测量转换成可用输出信号的传感器。

应用学科：（一级学科）；（二级学科）；传感器一般名词（三级学科）。

2.光纤传感器的特点：

一、灵敏度较高

二、几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器

三、可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的件；

四、可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；

五、而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。

附属说明：可以用来检测多种物理量，比如声场、电场、压力、振动、温度、加速度等，还可以完成现有检测工作中难以完成的检测任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了超强的能力。目前光纤传感器已经有70多种，大致上分成光纤自身传感器和利用光纤传感器。近年来得到很好的发展，大多应用在低碳领域。在风力发电中，光纤传感工艺开始用于检测和优化风力发电风轮系统。作为发展最快的能源工艺，风轮的尺寸越来越大。这些风轮体积巨大，又安装在比较遥远的地点。监控工程师需要实时了解这些风轮的状态。因此，光纤传感器就能发挥其功效，帮助工程师了解风力发电机机组的运行情况。光纤传感器工艺耗能极低而且灵敏，特别在远距离传输中，信号稳定，受干扰小。这些特点使光纤传感器成为极端环境下的理想选择。

2.光纤传感器结构 以电为基础的传统是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。

3. 光纤传感器的分类；

功能型、非功能型和拾光型三大类。1）功能型（全光纤型）光纤传感器 利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将"传"和"感"合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现"传"和"感"的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。

2）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只"传"不"感"，对外界信息的"感觉"功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。3）拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感等。

(2）根据光受被测对象的调制形式形式：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。1）强度调制型光纤传感器是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点：结构简单、容易实现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。2）偏振调制光纤传感器是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。

3）频率调制光纤传感器

是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的；以及利用光致发光的等。4）相位调制传感器 其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。

二：光纤传感器的原理与应用

光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。

光纤传感器的应用于对磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济和国防上所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面的应用：

1）. 城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中，用于测试应力松驰、施工应力和动荷载应力，从而评估桥梁短期施工阶段和长期营运状态的结构性能。

2）. 在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等，由于电类传感器易受电磁场的干扰，无法在这类场合中使用，只能用光纤传感器。分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术，分布式光纤温度传感系统不仅具有普遍光纤传感器的优点，还具有对光纤沿线各点的温度的分布传感能力，利用这种特点我们可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点温度，定位精度可达米的量级，测量精度可达1度的水平，非常适用大范围交点测温的应用场合。

三：光纤传感器在检测技术中的应用 ；

1 光电式带材跑偏检测器

带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号，主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。光电式带材跑偏检测器原理如图1所示。光源发出的光线经过透镜1会聚为平行光束，投向透镜2，随后被会聚到光敏电阻上。在平行光束到达透镜2的途中，有部分光线受到被测带材的遮挡，使传到光敏电阻的光通量减少。

图2为测量电路简图。R1、R2是同型号的光敏电阻。R1作为测量元件装在带材下方，R2用遮光罩罩住，起温度补偿作用。当带材处于正确位置（ 中间位）时，由R1、R2、R3、R4组成的电桥平衡，使放大器输出电压U0为0。当带材左偏时，遮光面积减少，光敏电阻R1阻值减少，电桥失去平衡。差动放大器将这一不平衡电压加以放大，输出电压为负值，它反映了带材跑偏的方向及大小。反之，当带材右偏时，U0为正值。输出信号U0一方面由显示器显示出来，另一方面被送到执行机构，为纠偏控制系统提供纠偏信号。

2 包装充填物高度检测

用容积法计量包装的成品，除了对重量有一定误差范围要求外，一般还对充填高度有一定的要求，以保证商品的外观质量，不符合充填高度的成品将不许出厂。图3所示为借助光电检测技术控制充填高度的原理。当充填高度h偏差太大时，光电接头没有电信号，即由执行机构将包装物品推出进行处理。

3光电色质检测

图4为包装物料的光电色质检测原理。若包装物品规定底色为白色，因质量不佳，有的出现泛黄，在产品包装前先由光电检测色质，物品泛黄时就有比较电压差输出，接通电磁阀，由压缩空气将泛黄物品吹出。

4 彩塑包装制袋塑料薄膜位置控制

图5为包装机塑料薄膜位置控制系统原理。成卷的塑料薄膜上印有商标和文字，并有定位色标。包装时要求商标及文字定位准确，不得将图案在中间切断。薄膜上商标的位置由光电系统检测，并经放大后去控制电磁离合器。薄膜上色标（ 不透光的一小块面积，一般为黑色）未到达定位色标位置时，光电系统因投光器的光线能透过薄膜而使电磁离合器有电而吸合，薄膜得以继续运动，薄膜上的色标到达定位色标位置时，因投光器的光线被色标挡住而发出到位的信号，此信号经光电变换、放大后，使电磁离合器断电脱开，薄膜就准确地停在该位置，待切断后再继续运动。

当薄膜上的色标未到达光电管时，光电继电器线圈无电流通过，伺服电机转动，带动薄膜继续前进。当色标到达光电管位置时，光电继电器线圈有电流，伺服电机立即停转，因而薄膜就停在那一个位置。当切断动作完成后，又使伺服电机继续转动。如图6所示。

5 其他方面的应用

利用光电开关还可以进行产品流水线上的产量统计、对装配件是否到位及装配质量进行检测，例如灌装时瓶盖是否压上、商标是否漏贴（见图7），以及送料机构是否断料（见图8）等。

此外，利用反射式光电传感器可以检测布料的有无和宽度（见图9）。利用遮挡式光电传感器检测布料的下垂度，其结果可用于调整布料在传送中的张力，利用安装在框架上的反射式光电传感器可以发现漏装产品的空箱，并利用油缸将空箱推出。

四：光纤传感器的发展前景 ；

传感器技术是实现自动控制、自动调节的关键环节,也是机电一体化系统不可缺少的关键技术之一,其水平高低在很大程度上影响和决定着系统的功能;其水平越高,系统的自动化程度就越高。在一套完整的机电一体化系统中,如果不能利用传感检测技术对被控对象的各项参数进行及时准确地检测出并转换成易于传送和处理的信号,我们所需要的用于系

统控制的信息就无法获得,进而使整个系统就无法正常有效的工作。我国传感器的研究主要集中在专业研究所和大学,始于20世纪80年代,与国外先进技术相比,我们还有较大差距,主要表现在:

(1)先进的计算、模拟和设计方法;

(2)先进的微机械加工技术与设备;

(3)先进的封装技术与设备;

(4)可靠性技术研究等方面。因此,必须加强技术研究和引进先进设备,以提高整体水平。传感器技术今后的发展方向可有几方面:

1.加速开发新型敏感材料:通过微电子、光电子、生物化学、信息处理等各种学科,各种新技术的互相渗透和综合利用,可望研制出一批基于新型敏感材料的先进传感器。

2.向高精度发展:研制出灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。

3.向微型化发展:通过发展新的材料及加工技术实现传感器微型化将是近十年研究的热点。

4.向微功耗及无源化发展:传感器一般都是非电量向电量的转化,工作时离不开电源,开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向。

5.向智能化数字化发展:随着现代化的发展,传感器的功能已突破传统的功能,其输出不再是一个单一的模拟信号(如0-10mV),而是经过微电脑处理好后的数字信号,有点甚至带有控制功能,即智能传感器。

各种光纤传感器的应用领域及优缺点

传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，种类很多今天小编整理了各种光纤的作用机理，应用领域以及优缺点。

分类

作用机理

优点

缺点

应用

光纤在传感器中作用

功能性

光纤传感器

光纤即是导光媒质，也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制

结构紧凑

灵敏度高

须用特殊光纤，成本高

光纤陀螺

光纤水听器

非功能型

光纤传感器

光纤在其中仅起导光作用

无需特殊光纤及其它特殊技术，比较 容易实现，成本低

灵敏度比较低

大多数实用化设备

拾光型光纤传感器

光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其发射、散射的光

无需特殊光纤，比较容易实现，成本低

灵敏度比较低

光纤激光多普勒速度计

辐射式温度传感器

光受被测量调制的形式

强度调制型光纤传感器

利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，导致光强度变化来实现

结构简单

容易实现

成本低

易受光源波动和连接器损耗变换的影响

压力、振动、位移、气体传感器

偏振调制光纤传感器

利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息

可避免光源强度的变化的影响，灵敏度高

不容易实现

电流、磁场；电场、电压；压力、振动；温度、压力、振动传感器

频率调制光纤传感器

被测对象引起的光频率的变化来进行检测

容易实现，成本低

灵敏度不高

光纤速度、流速、振动、压力传感器；大气传感器；温度传感器

相位调制传感器

运用机理

优点

缺点

应用

，

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