光纤传感器及应用

光纤传感器及应用21世纪是一个信息时代，许多发达国家已把信息工业看作是第一工业。信息工业的要素包括信息的获取、存贮、处理、传输和利用，而信息的获取正是靠传感器和仪器仪表来实现的。如果获取的信息是错误的或不准确的，那么后面的存贮、处理、传输都是毫无意义的，所以说传感器是信息工业的源头，属于信息工业的一部分。近几年来，光纤传感器已在工业部门广泛应用，成为了信息技术中一股不容忽视的潮流。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，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。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独特的能力。目前光纤传感器已经有70多种一、 光纤传感器的原理光纤传感器主要由光源、光纤和光检测器等部分构成。光纤中要导光。没有光源不行。用作光纤传感器光源的种类很多，常用的有自炽灯（钨丝灯）、激光器和发光二极管。光纤即光导纤维，是一种能导光的纤维，它很细（一般直径为100〜150〃m）、柔软，可弯曲。把光纤制成与导线或电缆相类似的光导线材，能把光的信息（光强、光脉冲、光的相位变化等）从一端传向另一端。光纤为什么能在弯曲的通道上传光呢?这主要是利用了光学上的全反射原理。由光学知识知道：光经过两种不同介质的分界面时，会发生反射和折射。当那些入射角大于全反射临界角的光，都能在纤芯和包层的界面上发生全反射，反射光仍以同样的角度向对面的界面入射。这样，光将在光纤的界面之间反复地发生全反射，成“之”字形前进，最终达到传输的目的地。带有被测参数信号的光，必须经由光检测器（或称光电元件）把光信息转换成电信息，才能由信号处理装置对信号进行处理，最终显示出被测参数值的大小。光纤传感器中的光检测器种类很多，主要有光电池、光敏二极管和光敏三极管等。二、 光纤传感器的分类光纤传感器可分为传光型和传感型两种类型：传光型光纤传感器。传光型也称为非功能型光纤传感器。在这类器件中，光纤仅作为传递光信息的通道。而对被测对象的“感觉”功能是依靠其他敏感元件来完成的。例如：光纤温度报警器。当水银柱还没有升到预定的报警温度时，由光源来的光能透出温度计而到达对面的光纤；当水银柱升到预定报警温度时，光路就被切断，由信号处理装置发出声、光报警信号。光纤传感器中的光纤是不连续的，中间有断点，中断部分接上其他敏感元件(如水银温度计)，光纤仅起传光的作用。传感型光纤传感器。传感型又称功能型光纤传感器。其光纤不仅传递光的信息，而且还能感受被测参数的变化，即光纤的某一特性参数也随着被测参数改变。光纤在这类传感器中不仅起“传”的作用。而且还起“感”的作用，因而传感型光纤传感器中的光纤是连续的。如光纤压力计：光纤穿过两块齿形板的夹缝，当齿形板在压力作用下产生微小位移时，齿形板中的光纤便产生微弯曲，其传输损耗会变化，其变化量与压力有关。因此，可用测量输出光照度的变化量来确定压力的变化量。由此例可见，这里的光纤不仅传光，而且还感受被测压力的变化，也就是起敏感元件的作用。三、光纤传感器的特点光纤传感器之所以能发展起来，是因为它有一些常规传感器所没有的特点，其特点主要表现在以下几个方面：光纤传感器不受电磁场的干扰。当光信息在光纤中传输时，它不会与电磁场产生作用，因而信息在传输过程中抗电磁场干扰能力很强。绝缘性能好。光纤是非金属材料，它不导电。光纤外层的涂料硅胶也不导电，因此光纤的绝缘性能好。防爆性能好并耐腐蚀。由于在光纤内部传输的是能量很小的光信息，不会产生火花、高温、漏电等不安全因素，所以光纤传感器的安全性能好。另外，光纤为非金属材料，耐腐蚀，适用于有强腐蚀的对象参数测量。(4)光纤导光性能好。对传输距离较短的光纤传感器来说，其传输损耗可忽略不计。(5)光纤细而柔软。光纤可以做成非常小巧的传感器，用来测量某些特殊对象、场合的参数。四、光纤传感器的应用光纤传感器已在火电厂得到了应用。现举几例说明：(1)光纤辐射温度计。它是利用测量高温物体辐射出射度(辐射强度)大小来测定温度的。在火电厂锅炉灭火保护装置中，测定燃烧器火焰“燃”或“灭”的探头就是利用了光纤辐射温度计的原理。光纤探头输出的是开关量：若燃烧器喷出的燃料在燃烧，探头输出为“1”；灭时为“0”。半导体光纤温度计。它是利用半导体材料(砷化镓CaAs或磷化铟InP)的光吸收随温度的变化特性测温的。半导体光纤温度计主要用在高压及超高压电力变压器中热点温度的直接测量上，过去由于高电压的隔离问题不能很好解决，直接测量很困难，而用半导体光纤温度计就不会把高电压设备的高电位引下来，使用效果很好。光纤转速表。火电厂汽轮发电机的转速过去常采用电和磁的测量方法，由于其电信号及其信号传输线路容易受发电机强电磁场的干扰，仪表不能正常工作，而使用光纤转速表就不存在这一问题。光纤电功率表。随着电力工业的发展，传统的测量电功率的电磁方法日益显露出其固有的弊端，如：电绝缘、电磁干扰和磁饱和等问题，已严重影响了电功率测量准确性、安全性和稳定性。目前，国