光纤传感 (1)
光纤传感器技术的发展已有30多年的历史。在此,将光纤传感器应用于测量的技术称为光纤传感,它具有以下优势,为解决电传感器的一些问题提供了一种方法。
光纤传感优势
- 传感器无电源
- 远程检测
- 不受电磁噪声影响
- 抗雷击
- 防爆
光纤传感通过测量应变、位移等物理量,广泛应用于桥梁、建筑物、风力涡轮机和输电线等结构健康监测,以及机场等重要设施的安全监测等各个领域。此外,它还通过测量电流和振动等物理量,支持电力传输的监测和工业设施的维护。
以下章节介绍了各种类型的光纤传感、其特点以及所需的光源。
光纤传感大致可分为两类:点型和分布式。
- 点型传感器是在光纤线路上进行特殊加工,使其具备传感器功能,典型的例子是光纤布拉格光栅传感器。
- 分布式光纤传感器采用将整条光纤作为传感器的技术,包括用于测量光纤断裂和损耗的有无及其位置的OTDR,以及用于读取光通过光纤时产生的背向散射光信息的R-OTDR和B-OTDR。
《光纤传感》第一期讨论了点型光纤传感。
下表总结了点型传感方法及其特点。
测量方法 | 测量项目 | 典型应用 | 光源 |
---|---|---|---|
1. 光纤光栅传感器 | 应变、温度 | 结构健康监测、设施安全 | 扫频光源、增益芯片、SLD *1 |
2. BOF传感器*2 | 温度、压力、振动 | 温度计、压力表 | 超低密度发光二极管 (SLD) |
3.异芯光纤传感器 | 弯曲位移、应变、温度 | 水位计、压力计、振动计 | SLD、LED、LD、DFB-LD *3 |
4.电流传感器 | 电流 | 安培表 | 超低密度脂蛋白 |
5.法拉第效应传感器 | 位移 | 雨量计、防灾监测、水闸监测 | LD |
*1:SLD:超辐射发光二极管(又名 SLED)
*2:BOF:光纤端带通滤波器
*3:DFB-LD:分布反馈激光二极管
注:此表中的应用仅为代表性示例。
下面介绍每种点型感应方法。
1. 光纤光栅传感器
FBG 传感器是一种在光纤某一部分带有周期性光栅的光学滤波器。图 1 展示了其原理。当波长分布较宽的光(例如来自波长扫描光源或 SLD 的光)从光纤的一端注入时,只有特定波长(称为滤波波长)的光会被 FBG 传感器部分反射,其他波长的光则会穿过并到达另一端。
此时,FBG 传感器的物理膨胀、收缩或温度变化会导致滤波波长发生相应变化,而物理量可以通过测量该反射光的波长来确定。通过串联多个具有不同滤波波长的 FBG 传感器,可以实现多点测量。FBG 传感器的测量方法包括“SLD 和光谱仪”类型,以及更精确的“波长扫描光源和光电探测器”类型。
2. 转炉传感器
如图3所示,BOF传感器在光纤尖端贴有一层电介质多层膜,图中蓝色条纹为传感器部分。对传感器部分加热可增加折射率,使反射光谱向长波长方向变化。对传感器部分施加压力可使薄膜物理厚度变薄,使反射光谱向短波长方向变化。根据波长变化量Δλ可获得物理量。
多点测量是指通过脉冲光源并设置不同的传感器间距离来同时测量多个点,以便进行识别。
使用 BOF 传感器进行传感非常适合在高湿度场所等恶劣环境下进行测量。它使用光谱相对较宽的器件(例如 SLD 和 LED)作为光源,但高光强度的 SLD 最适合光纤聚焦和多点测量。
3.异芯光纤传感器
异芯光纤传感器如图5所示,形成了一个纤芯直径较窄的部分(异芯部分)。该部分的弯曲会增加光强度的损失,从而可以测定物理量。传统的光纤传感在测量静态物理量时需要温度补偿,而本方法不受温度变化的影响,无需补偿即可进行传感,这是一大优势。
该传感器利用异质芯的曲率,可进行各种类型的感测,例如位移、应变、水位和加速度。由于该方法以光强度差异的形式测量物理量,因此可以与任何能够注入光纤且具有稳定光输出的器件(例如LD、LED、SLD和DFB-LD)一起使用,这是一种非常通用的方法。
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