浅谈多传感器光网络系统

1、浅谈多传感器光网络系统多传感器光网络系统,主要由多个光电传感器和光纤网构成。光传感网和光 通信网的差别主要是：光传感网络中既有数字信号，也冇模拟信号，并且通常以 模拟信号居多；而光通信网则主要是传输数字信号。此外，光传感网主耍是近距 离的传输(几米几百米至数公里)，因此传输损耗有时可不考虑。一、可用丁构成光传感网的传感器光传感网主要用于智能结构，智能材料以及大范围多点、多参量的监测系统。 因此，用于组网的光传感器应满足微型化、高可靠、可连网灯耍求。此外还应考 虑其测量的灵嫩度和动态范围、光纤和材料及匹配等因素。为此应从光纤传感器 的种类及光纤结构两方面加以考虑。目前，用于传感器网的光纤传感器有

2、多种, 且分类方法各界，现取较通行的分类方法且适用者分别介绍。1. 定义(1) 点式传感器(point sensor)点式传感器是指传感头几何尺寸较小,只局限于检测一个很小截面内的某一 参量的值。传感头的具体尺寸，则视被侧结构的尺寸和被测参量而异。理论上是 一个点，实际上探头尺寸可扩大到儿个厘米或儿个平方厘米，视具体情况而定。(2) 积分式传感器(integrating sensor)积分式传感器是指传感器测量的是一定范围内的某一参量的平均值，例如： 某一尺寸范围内应变的平均值，或是温度的平均值。测平均值的空间范围由智能 结构的尺寸等因索而定。(3) 分布式传感器(d以ributed sens

3、or)分布式传感器是可沿空间位置连续给岀某一参量值的传感器。它可给出大空 间范围内某一参量沿构件空间位置的连续分布值，其主耍特征参量是空间分辨率 和灵皱度。对于智能结构等许多领域，这是一种十分重要的传感器，也是冃前的 研究热点之一。图1给出了点式传感器、积分式传感器和分布式传感器的原理示 意图。图中si, s2,.是单个传感器的编号。(a)点式传毎簿列阵(b)积分式传感器列阵图1不同传感器系统的输出(4) 传感器的复用(multiplexe6sensorsystem)由多个占点式传感器或多个积分式传感器或多个分布式传感器构成的一个复杂 的传感系统，称为复用传感系统或传感器的复用。对于光纤传感器

4、，其最人的优 点是:可以利用现有的光纤局域网技术,把多个传感器连成一个复杂的传感网络, 对于构件进行大范围的多点、多参量测量，以满足测量的不同实际需要。另外, 由于传感器的复用，诸多传感探头可以共用一个或几个光源，共用一个或几个光 探测器和二次仪表，这样一方面简化了传感系统、提高了可靠性，另一方面又大 大降低了成本，这正是实际应用所希望的。2. 点式光纤传感器只要传感元件尺寸比结构件尺寸小很多，就属点式光纤传感器。目前用于智 能结构等领域的点式光纤传感器冇多种，现择英主要者举例介绍如下。(1) 光纤在线&卩传感器目前在智能结构中，光纤在线fp传感器是应用较成功的一种。光纤fabry-p

5、erot 干涉仪(fabry-perot interferometer： fpi)是一种“点'式传感器,可用于 结构中测量温度、应变、超声振动等。由于它无需参考臂、可时分和相干复用等 诸多优点，因而是许多光传感网屮较理想的传感器。在20世纪80年代初已出现用单模光纤两端镀反射膜或是直接利用光纤两端 面平整切口构成的光纤fp干涉仪。在80年代后期则出现另外两种结构的fp 光纤干涉仪(本征型和非本征型)，用于测量温度、应变等参量。图2是其中一种 本征 f一p 光纤干涉仪(intrinsic fabry-perot interferometer, ifp1),它由一段 单模光纤和两反射镜构成

6、。两反射镜可镀介质膜形成(例如，折射率为2. 4的 ti02膜)或是“较差"的熔接点形成(例如，用比正常熔接光纤更小的熔接电流和更 短的熔接时间所形成的质量较差的熔接点)。后者口j形成1%10%的反射率。光纤包尿*7z光纤芯 /介质親反射挽图2 ifp1示意图图3是另一种光纤f-p干涉仪非本征型fp干涉仪(extr小s5c fabry-perotlnterferometer, efpi)的结构示意图。它由两根光纤和空气隙构成。两 光纤端面及其问的空气隙构成干涉仪的fp腔。此两光纤端面耍精心处理，以保 证端面的平面性和端面对光纤轴线的垂直度，此两端面相对插入空心石英玻璃管, 并仔细调节

7、两端面间距即可构成fp腔。两光纤一长一短，长者用于输入、输出 光信号，短者仅用其端面作反射面。ifpi和efpi的主要差别是：前者fp内有介质，当选用不同敏感材料为腔 内介质时则可构成测量不同参量的传感器。例如，用宝石光纤为腔体材料可构成 10002000°c的高温传感器。后者fp腔为空气，可形成间隔为微米量级的短 腔。这两种腔的反射率都可高可低，以获得不同的输出谱宽，可满足不同的使用 要求。低反射率(1%10%)腔是通过计数干涉条纹的数目来测量腔长变化的； 高反射率腔则是通过一个干涉峰上不同位置光强输出的变化来测量腔长的微小 变化。图3 ifpi示意图(2) 绝对测量光纤干涉仪光纤

8、fp干涉仪曲于灵敏度高，探头微型化，可联网等诸多优点，因而受到 广泛重视，并已用于现场。其缺点是只能进行相对测量，即只能测量变化量，不 能测量状态量。因此，最近研制的用于绝对测量的光纤传感器成为人们关注的热 点z-o这种传感器最突出的优点是可以测量状态量，也就是能在外界冇干扰或 是意外停电z后，恢复原來的测量状况，继续进行监测，给出当前的测量结果, 而不必对仪器重新校准。因此它更适合于外界干扰(如冲击)严重，或需长吋期进 行周期性监测(如每天测一、二次)的应用场合。多数绝对测量光纤传感都是基于所谓“口光"干涉原理，即宽光谱干涉的原理 工作。(3) 光纤bragg光栅传感器这是一种新型

9、的光纤传感器，是近年來光纤传感领域中激动人心的新发展， 由于它具有线性输出、绝对测量、对环境变化不敏感，可构成传感网、全光纤化、 微型化等诸多优点，因而在智能结构等许多领域中应用前景看好，发展迅速。4.分布式光纤传感器构成分布式光纤传感器主要需解决两个问题：传感元件，例如光纤，能给 岀被测量沿空间位置的连续变化值；准确给出被测量所对应空间的位置。对于 前者，可利用光纤中传输损耗、模精合、传播的和位并以及非线性效应等给出连 续分布的测量结果；对于后者，则可利用光时域反射技术(otdr)、扫描干涉技 术等给出被测量所对应的空间位置。下面举几例说明z。(1) 分布式光纤温度传感器利用光纤中raman

10、散射或b删louin散射光强随温度的变化关系以及otdr技术可构成分布式光纤温度传感器和分布式光纤应力/应变传感器，这种传感系 统研究得比较多，并已有产品问世。(2) 分布式光纤应力传感器高双折射光纤受力时，两证交偏振模会发牛耦合，引起输出光偏振态发牛变 化，再利扫描michelson干涉仪，可测出受力点的位置。(3) 分令式微弯光纤传感器利用光纤中的微弯损耗效应和otdr技术可构成分布式光纤应变传感器。光 纤的微弯结构，可有不同形式，如图4所示。口前报道的结果是：测量长为0. 25m 一段构件上的平均应变时，其应变分辨率达100皿。己成商品的性能是:在210m 范围内，测量分辨率为0. 004mm,测量精度为±003mm。(c)三光肝纹合式微弯龙纤慢头图4微弯光纤传感器探头结构原理图(4) 分布式sagnac光纤应力传感器传感器为sagnac光纤t涉仪。干涉仪由高双折射光纤构成，此光纤受外力时， 光纤中两偏振模发生精合，使输出光变化