光纖傳感器的研究及應(yīng)用研究

高安平

【摘 要】在現(xiàn)代各種工程當(dāng)中，測量技術(shù)十二分的重要，而在測量技術(shù)中，傳感器起著舉足輕重的作用，它與測量的精密度及準(zhǔn)確度密切相關(guān)。在眾多種類的傳感器當(dāng)中，光纖傳感器傳感最為快速，反映物體變化最為精確，因而在各種測量器中廣泛使用。本文在此將對光纖傳感器做出研究，闡釋其作用原理，說明其工作特點(diǎn)，并且列舉光纖傳感器在一些領(lǐng)域的應(yīng)用情況，以供參考。

【關(guān)鍵詞】光纖傳感器；研究；應(yīng)用

0 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的騰飛，我國在科研上投入的經(jīng)費(fèi)更加巨大，科技水平不斷提高，隨之提高的是我國電氣自動化的程度，而各種自動化的電器內(nèi)部總少不了傳感器這一必要的元件。光纖傳感器是所有傳感器中最重要的、使用范圍最廣的一種。光纖傳感器的作用原理是使來自光源的光波經(jīng)過調(diào)制器，而后與待測參數(shù)相互作用而發(fā)生性質(zhì)上的變化，變成信號光，再送入探測器，解調(diào)后獲得被測的參數(shù)。光纖傳感器與其他的傳感器相比有更多的優(yōu)點(diǎn)，比如說，更加耐腐蝕，對介質(zhì)的影響較小，抗電磁干擾能力強(qiáng)等等。因此，在我國諸多領(lǐng)域中，光纖傳感器都有應(yīng)用。本文在此將對光纖傳感器進(jìn)行較為詳細(xì)的研究，并且列舉光纖傳感器的一些應(yīng)用，以供有興趣者參考。

1 光纖傳感器的研究

1.1 光纖傳感器概述

機(jī)械總是朝著越來越精確的方向發(fā)展，而在這一過程中，離不開更加靈敏、更加精確的傳感器。之所以光纖傳感器能在眾多的傳感器脫穎而出，是因?yàn)楣饫w傳感器具有靈敏度高、精確度高、適應(yīng)性強(qiáng)、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。光纖傳感器因在反射體中使用了棱鏡，反射光線的能力更強(qiáng)，因而與其他的反射型光控傳感器相比，檢測性能更高，檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確。光纖傳感器的電路設(shè)計(jì)更加簡單，連接更加容易，但是穩(wěn)定性卻比一般的分離式光控傳感器高得多，更加不容易受到外界環(huán)境的影響。另外，光纖傳感器在設(shè)計(jì)上的巧妙點(diǎn)還在于它使用了子母扣嵌入式設(shè)計(jì)，這使得光纖傳感器在安裝過程中更加的方便快捷。

1.2 光纖傳感器的原理

光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使得需要測量的參數(shù)和進(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)發(fā)生變化，比如光強(qiáng)、頻率、相位、波長及偏振狀態(tài)等等，這時的光由普通光轉(zhuǎn)化為帶有被測物參數(shù)信息的信號光，再送入解調(diào)器中，將光波所包含的被測物參數(shù)還原出來，最終完成測量過程。光纖傳感器一般分為兩種：一種，是功能性光纖傳感器，另一種，是傳光型光纖傳感器。功能性光纖傳感器的工作原理是利用光線本身的敏感特性或功能特性，將輸入的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?，即光波的相位、?qiáng)度或頻率等在環(huán)境的影響下發(fā)生變化，在解調(diào)后將光反應(yīng)的信息轉(zhuǎn)化為可測得數(shù)據(jù)。傳光型光纖傳感器的工作原理是在光纖端面或中間加裝其他的更加敏感的元件，使其感知被測物的變化，而光纖僅僅起到傳輸光的作用。

1.3 光纖傳感器的特點(diǎn)

光纖傳感器有以下幾大特點(diǎn)：光纖傳感器的靈敏度高，因?yàn)楣饫w傳感器使用的是光波，傳播速度快，而且不易受到其他因素的干擾，因而能夠及時準(zhǔn)確地反映出被測物的微小變化；光纖傳感器的幾何形狀可以多變，從而能夠適應(yīng)各種不同位置測量的需要，比如較常規(guī)的對大型物體的測量可以隨意用不同的形狀，但用來探測人體內(nèi)部病變的部位則需要用較細(xì)的探測器；光纖傳感器具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，因而可以在高壓地區(qū)、強(qiáng)電力輻射區(qū)不受干擾的進(jìn)行測量；光纖傳感器所用的材料是硅的氧化物，而硅的氧化物具有耐高溫高壓、抗腐蝕、抗氧化等特性，所以光纖傳感器可以在各種惡劣的環(huán)境中；由于光可以調(diào)制成富含各種不同的物理量聲波、磁力、溫度的信號，所以光纖傳感器可以用來測量多種不同的物理量，而不容易受到限制。

2 光纖傳感器的應(yīng)用

2.1 光纖傳感器在測量金屬絲楊氏模量方面的應(yīng)用

金屬絲的楊氏模量是衡量金屬絲的性能的重要依據(jù)，因此，必須用更加準(zhǔn)確地方法測量金屬絲的楊氏模量。而使用光纖傳感器測量儀測量楊氏模量不僅操作簡單，而且其結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性大大提高。傳統(tǒng)的測量方法是拉伸法，其基本原理是使金屬絲受到砍碼的作用力，這時金屬絲會發(fā)生微小的形變，然后在鏡尺組的光路轉(zhuǎn)換中將這個微小的形變放大幾倍，最后計(jì)算出楊氏模量。而應(yīng)用了光纖傳感器的紅外光測距儀測量的靈敏度、精確度、準(zhǔn)確度都有很大的提高，紅外線測量儀可以用來直接測量3毫米以內(nèi)的微小形變，而且?guī)缀鯖]有誤差。另一種反射式光纖位移傳感器也是用來測量楊氏模量的儀器，它采用兩束多模光纖，一端合并組成光纖探頭，另一端分為兩束，分別是光源光纖和接受光纖。在測量時，將傳感器固定在支架上，而后通過改變楊氏模量儀上的金屬絲位置，使儀表的電勢差發(fā)生變化，多次測量后，通過計(jì)算得出楊氏模量。

2.2 光纖傳感器在溫度測量方面的應(yīng)用

我們都知道光纖傳感器是根據(jù)光在光導(dǎo)纖維中傳播而傳遞信息進(jìn)行測量的，而光在光導(dǎo)纖維中傳播時，光的光強(qiáng)，波長，頻率等，物理量都會受到外界溫度、電磁波、電磁場的影響，會產(chǎn)生一定的變化，而光纖傳感器在測量溫度方面的應(yīng)用正是利用了這一微小的變化。利用溫度引起的光纖相位變化來反映溫度的變化，這種測溫儀器被稱為調(diào)制傳感型光纖測溫儀，此外，還有根據(jù)光的振幅變化、偏振態(tài)變化等原理做成的溫度測量裝置，而這些裝置同樣稍加改造，就可以用來測量其他方面的物理量。

2.3 光纖傳感器在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用

光纖傳感器在土木工程領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。在土木工程領(lǐng)域，光纖傳感器多用來測量大型的結(jié)構(gòu)、橋梁的安全性能、混凝土結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)部的應(yīng)力等等，最重要的是光纖傳感器作為一種新型的應(yīng)變傳感器而發(fā)揮出巨大的作用。光纖傳感器與普通傳感器相比一般來說更加小巧，因此可以深入混凝土的損傷裂縫中進(jìn)行測量，以確定混凝土內(nèi)部損傷的形式及擴(kuò)展方式；光纖傳感器質(zhì)量比較輕，能夠倒置粘貼在天花板，或野外的樹枝及山洞壁上，可以從各種不同的角度進(jìn)行測量；土木工程領(lǐng)域一般所需要的數(shù)據(jù)都比較精確，光纖傳感器恰好滿足這一條件，據(jù)調(diào)查，使用光纖傳感器所測出的數(shù)據(jù)更加符合標(biāo)準(zhǔn)，能為土木工程的施工建設(shè)提供詳細(xì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考。

2.4 光纖傳感器在新領(lǐng)域的應(yīng)用

在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速的今天，人們更加喜歡通過無線傳輸數(shù)據(jù)，來控制物體或機(jī)械，因此，一個新的概念便產(chǎn)生了，那就是物聯(lián)網(wǎng)。而光纖傳感器使得物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展更加快速，因?yàn)楣饫w傳感器的靈敏度高，準(zhǔn)確性高，適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)可以使物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行更加準(zhǔn)確，反應(yīng)更加快速。人們?nèi)缃裨谘邪l(fā)當(dāng)中的全智能機(jī)器人更是離不開光纖傳感器的作用，機(jī)器人的各種感知能力都依賴于光纖傳感器所感知的信號，光纖傳感器就是機(jī)器人的眼睛、鼻子和耳朵。除此之外，光纖傳感器在國防安全方面也發(fā)揮著巨大的作用，在一些危險(xiǎn)的核試驗(yàn)基地、核電站或者邊境線等環(huán)境惡劣的地方，基礎(chǔ)設(shè)施比較差，甚至不能在野外供電，因此需要一款室外無源監(jiān)控系統(tǒng)，而光纖傳感器正是這一系統(tǒng)的主要部件，可以在不供電的情況下提供有效的安全監(jiān)控。

3 結(jié)語

如今光纖傳感器無論是在國內(nèi)還是國際市場上都十分暢銷，各種不同檔次的光纖傳感器可滿足人們的不同需求，它主要運(yùn)用在以下五大領(lǐng)域，石油和天然氣的探測、航空航天、交通運(yùn)輸、生物醫(yī)學(xué)以及民用基礎(chǔ)工程建設(shè)，而在未來，相信光纖傳感器會因其優(yōu)異的性能、超強(qiáng)的適應(yīng)性、抗電磁干擾能力而應(yīng)用于更家廣泛的領(lǐng)域，更加為人們所青睞。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]廖延彪，黎敏.光纖傳感器的今日與發(fā)展[J].傳感器世界，2004，02：6-12.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]