光纤传感器调研报告

光纤传感器调研汇报胡昆仑摘要：本文将就光纤传感器作一份较为详细的调研汇报，重要简介光纤传感器的基本知识，以及某些经典光纤传感器（包括已经投入生产以及研究中）基本原理，为本学期毕业设计作好准备工作。关键词：光纤，振动，传感器，原理光纤传感器现况：近来,世界范围内用于光纤通讯和光纤传感器的资金正在不停增长。与老式传感器相比，光纤传感器有某些列独特的长处：它可以在强电磁干扰、高温高压、原子辐射、易爆、化学腐蚀等恶劣条件下使用，高敏捷度及低损耗的长处使其用途广泛，例如可以构成空间分布列阵及网络，应用于人体医学、城建监控、环境监测等方面。科学家已提出了四十多种测量对象的几百种光纤传感器，同步也指出了乐观的市场前景。光纤传感器基础：光纤传感器其基本工作原理是未来自光源的光通过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光互相作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在通过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。与老式的各类传感器相比，光纤传感器具有如下特点：敏捷度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感多种不一样物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其他的恶劣环境。光纤传感器可分为2大类：一类是功能型（传感型）传感器;另一类是非功能型（传光型）传感器。功能型传感器是运用光纤自身的特性把光纤作为敏感元件,被测量对光纤内传播的光进行调制,使传播的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化,再通过对被调制过的信号进行解调,从而得出被测信号。光纤在其中不仅是导光媒质，并且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。长处：构造紧凑、敏捷度高。缺陷：须用特殊光纤，成本高，经典例子：光纤陀螺非功能型传感器是运用其他敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为信息的传播介质，常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。长处：无需特殊光纤及其他特殊技术；比较轻易实现，成本低。缺陷：敏捷度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。光纤传感器从信号变换上也可以提成强度调制型、相位调制型、波长调制型、偏振态调制型和模式调制型等等。经典光纤传感器及其基本原理：1、首先简介一种激光位移传感器，严格来说，该传感器仅仅是运用光学手段制作的传感器。ZLDS10X可定制激光位移传感器是英国真尚有（ZSY）企业生产的一种激光传感器，具有数字化集成一体化构造，0.01%高辨别率，0.1%高线性度，9.4KHz高响应、IP67高防护等级和可同步等高性能。工作温度范围宽，尤其合用于工业环境高精度应用。重要有如下型号：各型号特点：ZLDS100：0.01%高辨别率，0.1%高线性度，9.4KHz高响应，可订制多种尺寸，适应恶劣环境。

ZLDS101：0.03%高辨别率，0.1%高线性度,2M大量程，可进行远距离测量。

ZLDS102：0.02%高辨别率,0.1%高线性度,低成本。提供了在计算机上运行附带的传感器软件。该软件提供简朴的数据读取、显示以及传感器参数设置功能。提供了一种传感器开发库(目前仅支持Windows)，以DLL形式提供，封装底层串口通讯协议细节，提供简朴易用的编程接口，便于开发人员迅速进行应用软件的开发。应用领域：广泛用于火车轮轮缘轮廓测量，公路车辙、平整度测量。也可用于非接触测量位移、三维尺寸、厚度、物体形变、振动、分拣及玻璃表面测量等。重要特点如下：◆ZLDS100R-4-39传感器可用于镜面和玻璃的表面测量；◆量程最小2mm，最大1250mm(其他量程可订制)；◆量程起始距离最小10mm，最大260mm(其他距离可订制)；◆频率响应：2K、5K、8K、9.4K；◆辨别率最高0.01%,线性度最高0.1%；◆支持多种传感器同步采集(保证工业在线高精度差动测厚)；◆支持特殊量程(如远距离起始700mm小量程300mm等)；◆特殊应用(如路面平整度，高温被测体，管道内径，石油钻杆内外螺纹测量等均可定制)；◆针对串口，提供了运行应用的DLL开发库，以便顾客开发应用软件；◆非接触位移精密测量；工作原理较为简朴，图示如下：半导体激光器①被镜片②聚焦到被测物体⑥。反射光被镜片③搜集，投射到CMOS阵列④上；信号处理器⑤通过三角函数计算阵列④上的光点位置得到距物体的距离。该传感器通过简朴的光学原理，到达对距离位移、三围尺寸、厚度、物体形变、振动、玻璃表面的测量，与微机结合，可以将成果形象的体现出来，网上即有该传感器对玻璃检查的应用（）系列多种产品详细型号参数不再一一赘述，仅提供ZLDS102的详细参数：顾客可按照自己需求定制。（官方网站为）2、下面论述一种应用较为广泛的光纤传感器——光纤光栅传感器（FBG）光纤光栅传感器（FiberBraggGratingSensor）属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格（Bragg）波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。光纤布拉格光栅是通过全息干涉法或者相位掩膜法来将一小段光敏感的光纤暴露在一种光强周期分布的光波下面。这样光纤的光折射率就会根据其被照射的光波强度而永久变化。这种措施导致的光折射率的周期性变化就叫做光纤布拉格光栅。分类：光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、位移传感器、压力传感器等。其中应用最广泛的是光纤光栅应变传感器，该技术也较为成熟。应变直接影响光纤光栅的波长漂移，在工作环境很好或是待测构造规定精小传感器的状况下，人们将裸光纤光栅作为应变传感器直接粘贴在待测构造的表面或者是埋设在构造的内部。由于光纤光栅比较脆弱，在恶劣工作环境中非常轻易破坏，因而需要对其进行封装后才能使用。目前常用的封装方式重要有基片式、管式和基于管式的两端夹持式。其他传感器的原理类似。由于光纤其自身特点以及布拉格光栅的特点，该类光纤传感器具有如下特点：(1)抗电磁干扰:一般电磁辐射的频率比光波低许多，因此在光纤中传播的光信号不受电磁干扰的影响。(2)电绝缘性能好，安全可靠:光纤自身是由电介质构成的，并且无需电源驱动，因此合适于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。(3)耐腐蚀，化学性能稳定:由于制作光纤的材料一石英具有极高的化学稳定性，因此光纤传感器合适于在较恶劣环境中使用。(4)体积小、重量轻，几何形状可塑。(5)传播损耗小:可实现远距离遥控监测。(6)传播容量大:可实现多点分布式测量。(7)测量范围广:可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、电压、液位、液体浓度、成分等。基本原理：在下图所示的光纤光栅传感器构造中，光源为宽谱光源且有足够大的功率，以保证光栅反射信号良好的信噪比。一般选用侧面发光二极管LED的原因是其耦合进单模光纤的光功率至少为50～100μW。而当被测温度或压力加在光纤光栅上时。由光纤光栅反射回的光信号可通过3dB光纤定向耦合器送到波长鉴别器或波长分析器，然后通过光探测器进行光电转换，最终由计算机进行分析、储存，并按顾客规定的格式在计算机上显示出被测量的大小。光纤光栅除了具有光纤传感器的所有长处外．还具有在一根光纤内集成多种传感器复用的特点，并可实现多点测量功能。光纤布拉格光栅一般满足布拉格条件式中，λB为Bragg波长，n为有效折射率，A为光栅周期。当作用于光纤光栅的被测物理量(如温度、应力等)发生变化时，会引起n和A的对应变化，从而导致λB的漂移；反过来，通过检测λB的漂移。也可得知被测物理量的信息。Bragg光纤光栅传感器的研究重要集中在温度和应力的准分布式测量上。温度和应力的变化所引起的λB漂移可表达为：式中，ε为应力，P[i，j]为光压系数，v为横向变型系数(泊松比)，α为热胀系数，△T为温度变化量。一般状况下，(2)式中的n2[P12-v(P11+P12)]／2因子的经典值为0．22，可以推导出常温和常应力条件下的FBG温度和应力对应条件值为：运用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化的不一样，可实现对磁场的直接测量。如通过在光栅上涂敷特定的功能材料(如压电材料)，可实现对电场等物理量的间接测量。分布式光纤传感系统也是一种重要的研究重点。分布式FBG传感系统是在一根光纤中串接多种FBG传感器，每个光栅的工作波长互相分开，在通过3dB耦合器取出反射后，再用波长探测解调系统同步对多种光栅的波长偏移进行测量，从而检测出对应被测量的大小和空间分布。分布式光纤传感系统是一种传感器网络，它可以从整体上对被测对象的有关物理量的变化时间、位置进行监控。通过对分布式光纤传感器、执行构造、信号处理系统、传播系统和控制系统的结合，可形成一种智能构造。目前，分布式光纤传感系统一般有拉曼型、布里渊型和FBG型三种类型。下面参数是MicronOptics企业生产的型号为os1100的光纤布拉格光栅传感器的，该传感器即是基于上述原理制成，可测量土木构造、公路铁路路况、能源等。基本参数如下：3、迈克尔逊光纤干涉仪传感器是曾经在去年某次周会中提到的一种经典光纤传感器，此处对其原理作一详细简介：迈克尔逊干涉仪的原理图如下图所示：图中L为光源，C为3dB耦合器，PD为光电探测器，M1、M2均为反射镜，他们所在的光路分别称为信号臂和参照臂。从光源L发出的激光通过3dB耦合器，提成信号光和参照光。信号光经M1反射，参照光经M2反射，当信号臂光纤受到外界扰动场作用时传播光相位发生变化。而参照光未受到外界扰动场作用，其光的相位保持不变，由于信号光参照光产生相位差，经探测系统处理后即可调制出与被测量有关的相位移。两束反射光发生干涉，干涉光经光电探测器接受到的光强为：其中I0-激光器发出的光强φ(t)-参照臂与信号臂的相位差光纤型的迈克尔逊干涉仪的构造较为简朴并且精度也很高,不过从反射镜反射过来的光也许对光源产生影响。不过通过某些措施我们可以处理这一问题，迈克尔逊干涉仪的应用范围还是很广泛的。光纤型马赫-曾德尔干涉仪即是克服了迈克尔逊干涉仪的反射光干扰而制成的干涉仪，如下图所示：激光器发出的激光通过第一种3dB耦合器C1提成光强相等的两束光分别进入信号臂（SM）和参照臂（RM）光纤作为信号光和参照光。信号光通过信号臂，受到待测信号φ(t)的作用，使信号臂的传播光相位发生变化。参照光通过参照臂和信号光在第二个3dB耦合器发生相干，并提成2束光到2个光电探测器PD1和PD2，从光路中可以看出，马赫-曾德尔光纤干涉仪不带光纤端面反射镜，克服了迈克尔逊干涉仪反射光对光源干扰。根据双光束干涉原理，2个探测器PD1和PD2接受到的光强分别为Ia-激光器发出的光强α-耦合系数φ(t)-外界引起的相位变化由上式显而易见，马赫-曾德尔干涉仪将外界信号φ(t)引起的相位变化转化为光强变化。通过合适的信号处理可以将待测信号解调出来。此外，类似原理的干涉仪尚有3X3耦合器型干涉仪、法布里-帕罗型干涉仪、萨尼亚克型干涉仪等。以上都是通过光的干涉而设计的光纤传感器。另一种应用于实际中的干涉仪有基于sagnac干涉仪原理构成的光纤传感器，用来检测超声波．该传感器既可埋入固体内部，又可贴附在固体的表面上来探测固体构造中伴伴随微裂纹发生及多种原因产生的声发射。下图为单模光纤sagnac干涉仪的示意构造。LD是激光二极管，PD是光电二极管。l1和l2是干涉仪的两个臂，起传播光的作用．l是一段被绕成圆环状的光纤，用来接受或感应超声波，2×2光纤3dB耦合器被用来分解和合成干涉光束．从耦合器的一种端注入的光通过耦合器后被提成两束，一束光经l1~l~l2：传播回到耦合器，另一束经l2~l~l1。传播回到耦合器，两束光相遇产生干涉。当超声波作用于圆环状光纤l时，在Z中传播的两束光的位相被调制．超声波对干涉仪的两个臂l1和l2的作用可以忽视不计．抵达光探测器的两束光的光波场EL和ER分别被可表达为：式中A以是与注人光的振幅和耦合器的插入损耗成正比的常数；ω是光波的频率；φs是超声波导致的传感区域两束光位相的变化；τL和τR分别是这两束光通过传导光纤l1和l2从光纤敏感区域l传播到光探测器所经历的时间；φ1和φ2分别是两束光在光纤敏感区域l的初位相，它们与超声波作用在l上的位置有关．由公式(1)和(2)，输出到光探测器的光强度为式中：给PZT加载一种已知频率的正弦波电压，并认为PZT的振动在人工大理石板中线性传播．作用在光纤l上的超声波(或振动)，对l中传播的光波的位相的调制可以被表达为：其中：ωu是超声波的频率；φs0是位相变化的幅值，与超声波的强度成正比。△φs可表达为：式中：实际中我们只关怀信号的交流部分，（3）可以被改写成：式中：以上即是sagnac光纤干涉仪传感器的工作原理，更多的干涉型光纤传感器不再赘述。5、最终简介一种大型电力设备用光纤振动传感器，该传感器是一种建立在弹片受迫振动基础上,运用光学三角技术制成的光纤振动传感器该传感器线性工作范围0.8mm峰峰值,辨别率为10um,可测的振动频率范围为几百Hz。该传感器体积小,绝缘性好,可用于大型电力设备测量其交流振动。在平常生活和工程实践中,普遍存在着振动现象。大型电力设备如发电机,变压器等,由工频50Hz及高次谐波产生的机器振动总是存在的,精确测量它对提高电力设备的负载能力及安全工作均有重要的意义。由于光纤传感器具有抗电磁干扰、敏捷度高、体积小、可实时在线检测等独特长处,用光纤振动传感器来测童电力设备的振动是非常合适的。基本原理图如下：其中A是被测振动体,B为一弹片,它的一端固定在传感头壳体上,另一端作自由振动;F1为人射光纤,L1为准直用自聚焦透镜,F2为接受光纤,L2为祸合用自聚焦透镜。被测体振动时,弹片随之振动。设被测体振动为:梁的振动方程(设梁均匀)：式中,E为弹性模量。J为横截面对中心轴的惯性矩,m为单位长度梁的质量,Y(x,t)为梁上x处。t时刻沿振动轴方向的位移,f(x,t)了为梁单位长度的振动方向上的外力。根据振动理论得f(x.t)=0时,梁一端固定,另一端自由时的固有振型U(x)和频率方程分别为:式中l为梁的长度,频率本征值:解（4）得a1=1.875104，a2=4.694091，a3=7.854757对于弹片而言：Y（x,t）为弹片相对被测体的振动。将（5）代入（2）得：运用振型叠加法得到弹片的自由末端的振动：取一介频率响应a1=1.875104，通过整顿后得到弹片的振动方程为：最大振幅B为：对于电力设备，交流振动频率为50Hz，合适取m、l、w1的值可使G>1，使被测体的振幅得到放大，从而到达精确测量的目的。下面简介传感头的三角反射原理如下图所示

输入光功率P1由光纤F1耦合到自聚焦透镜L1，由它发出的平行光束照射到弹片上，被弹片反射回的光波自聚焦透镜L2耦合到光纤F2中，弹片振动时，从F2输出的光功率P0随之变化，设由L1出射的光束为平行光束，光斑内光强均匀分布，两自聚焦透镜孔径相似，则输出光强P0与反射光斑与L2的交叠面积成正比，如下图所示，交叠部分面积由L2的中心与反射光斑的中心之间的距离H决定，因此