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光纤传感器的组成结构光纤传感器的应用及其优缺点

来源:米乐娱乐官网m6手机端下载    发布时间:2024-06-14 05:02:41

  不仅追求高精度、大量程、高可靠、低功耗和微型化,并且向着集成化、多功能、智能化和网络化的方向发展,以满足工业、农业、国防和科研等所有的领域的需求。光纤传感技术是20世纪70年代随着光纤技术和光通信技术的发展而快速地发展起来的。它代表了新一代传感技术的发展的新趋势。光纤的产业已被国内外公认为最具有发展前途的高新技术产业之一,它以技术上的含金量高、经济效益好、渗透能力强、未来市场发展的潜力广等特点为世人所瞩目。

  光纤最早的出现的目的是用于传输光,在20世纪70年代初生产出低损耗光纤后,光纤用于长距离传递信息,是光纤通信的基石,也可以豪不夸张的说光纤也是现代信息社会的基石。由于光纤不但可以作为光波的传输媒质,而且光波在光纤中传播的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)会因外因(如温度、压力、应变、振动、声音、磁场、折射率、扭曲、等)的作用而间接或直接地发生明显的变化,分析这些变化就能够获得外界作用的某些性质,从而可将光纤用作传感器元件来探测各种物理量、化学量和生物量,这就是光纤传感器的基本原理。

  光纤传感器的基本结构由光源、传输光纤和光检测部分所组成。考虑到光纤传输已经很简单,通常一套完整的光纤传感器主要由传感器和解调仪构成。光源发出的光耦合进光纤,经光纤进入调制区;在调制区内外界被测参数作用于进入调制区内的光信号,使其光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生明显的变化成为被调制的信号光:再经过光纤送入光检测器,光检测器对进来的光信号进行光电转换,输出电信号;最后对电信号进行信号处理而得到可用信号,从而获得被测参数。

  光纤传感器网有三种基本构成,其中一个叫单点式传感器。一根光纤在这里仅仅起到传输的作用,另外一种叫多点式传感器,在这里一根光纤把很多传感器串起来,这样很多传感器能共用光源实现网络性监测。再有就是智能光纤传感器。

  多点式光纤传感器,从外表看就是一节光栅,通过紫外线照射发现有周期性的间隔。当有光纤入射的时候,如果光纤的波长正好等于间隔的两倍,那么这个光波将会受到强烈的反射,而如果光纤受到气温变化或者应变等等,这个反射波长将会发生明显的变化,这种传感器在一根光纤上可以做很多个,把它连接起来就能够适用于各种各样的传感应用。

  因为光纤是软的,它可以两维、三维,所以横轴是空间的位置,纵轴是测量对象。这样一个传感网解决了什么样的问题呢?它解决了在什么位置上发生了什么样的事情,那个事情有多少个强度的问题,也就是提供了两维的信息。这就是智能光纤传感器所要解决的问题,它有很突出的特点要求,包括体积小、强度高、稳定性高,可植入材料中。抗电磁干扰、耐环境。

  光纤传感器已经成功应用于飞机结构监测。我们正真看到A-380和波音787,它们的特点是超过一半数量是碳纤维,比如说碳纤维符合树脂有几种缺失,一个是层与层之间的剥离,由于这样一种材料比较强,所以很难像铝合金材料那样实行碳酸检测,所以研究人员现在开始研究把光纤传感器埋到复合材料当中去,由于这样一种材料一层大概125微米的厚度,所以这种光纤传感器必须是特别细小的光纤传感器,大概直径在50个微米左右。

  我们说光纤传感器网能成为安全安心社会的神经网。光纤传感器网可以用语光纤通讯网的诊断技术。光纤传感器网在安防方面已经有很多的应用,国内有很多企业在这方面开展了卓有成效的工作。

  常见的光纤有阶跃型和梯度型多模光纤及单模光纤,选用光纤一定要考虑以下因素:

  从提高光源与光纤之间耦合效率的角度来看,要求用大的NA,但是NA越大,光纤的模色散越严重,传输信息的容量就越小。但是大多数光纤传感器来讲,不存在信息容量的问题,光纤以最大孔径为宜,一般要求是:0.2NA《0.4。

  传输损耗是光纤的最重要的光学特性,很大程度上决定了远距离光纤通信中继站的跨越,但是光纤传感器系统中,大部分距离都比较短,长者不足4M,短的只有几毫米。特别是作为敏感元件的特殊光纤,可放宽传输损耗的要求,一般损耗《10dB/km的光纤均可采用。

  白炽光源的辐射近似为黑体辐射。其优点是:价格低,容易获得,使用起来更便捷,但在传感器中使用,由于辐射密度比较小,故只能与光纤束和粗芯阶跃光纤配合使用。缺点是稳定性比较差,寿命短。

  高相干性光源,容易实现单模工作,线性非常窄;辐射密度比较高,与单模光纤耦合效率高;噪声比较小。

  现在主要用固态铷离子激光器等,优点是体积小,坚固耐用、高效率、高辐射密度。光谱均匀而且比较窄,缺点是相干性和频率稳定性不如气体激光器。

  是光纤传感器的重要光源,主要LED,优点是体积小巧、坚固耐用、寿命长、可靠性高、辐射密度适中、电源简单。

  光源很多,对光源的基础要求是一致的,必须使具有适当特性的、功率足够大的光达到检测器,以确保检验测试系统有足够大的信噪比,遵循原则为:选择辐射足够强的光源,要求在敏感元件的工作波长上有最大的辐射功率;光源必须与光纤匹配,以获得最好的耦合率;光源的稳定性要好,能在长期的室温下工作。

  光电探测器是光电检测中必不可少的器件,把光信号转变为电信号。选择准则:在工作波段内灵敏度要高;有检测器引入的噪声一定要小,因此要选用暗电流、漏电流和并联电导尽可能小的器件;可靠性高、稳定性高;尺寸小、便于组装、容易与光纤耦合;偏压或偏流不宜过高;价格低。

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