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文档简介
光纤传感技术的发展与应用
自1881年美国社会学家michson发明michson干涉仪以来,激光干涉传感器的位移和速度测量技术得到了极大的发展。这是一种新型的测量技术,利用光、光、电、光为载体、传感器、传感器等。它是一种利用光为载体、光为手段、感知和传输外消息的新传感器技术。这是一项研究经济和军事能力的高科技应用,可以广泛应用于经济和军事领域。它在航空航天(飞机和探测器、温度测量、蜗牛等)、海洋(声音)、石油开采(液位、流量测量、二相流中的间隙测量)、电力传输(高压输电网的电流测量和电压测量)、原子能工业(辐射测量、原子能源发射站泄漏测量)、医疗(血液速度测量、血压和心音测量)等领域得到了广泛的应用。光纤传感器的传感器比传统传感器差得多倍。它具有高灵敏度、抗旱性和体积积小等优点。它可以在温度、压力、角度、电压、电流、声音和磁体等许多物理现象上检测。光纤传感器可分为传光型(非功能型)和传感型(功能型)两大类.在传光型光纤传感器中,光纤仅起到传输光波的作用,必须在光纤端部或中间安装其它敏感元件才能组成完整的传感器;而传感型光纤传感器则利用光纤本身的敏感特性进行工作,干涉型光纤传感器就属于这一类,它通过检测由调制光信号的相位改变引起的输出效果如光强的变化而获得外场信息,从而达到传感目的.1可扩充光纤微织物由于光纤具有抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、防爆、体积小、重量轻、可绕性好等特点,而倍受人们的关注.光纤激光Michelson干涉仪也正是利用了光纤的这些特性,使光纤两臂可以绕成任意形状,其参考臂与信号臂可以分开间隔很远,结构灵活,避免了传统分立元件中Michelson干涉仪极高的环境和调整要求.因此,它的应用可以延伸到许多传统干涉仪的禁区.再者,Michelson干涉仪因具有结构简单、条纹对比度好、信噪比高、条纹的计数和被测位移的计算关系简单等优点而受到广泛的研究和应用.2多光干涉检测光纤Michelson干涉仪的基本工作原理如图1所示.He-Ne激光通过耦合透镜L进入单模光纤后被FDC分成强度相等的两束,分别进入参考臂和传感臂中传播.两干涉臂中传播的光线经各自光纤端面的反射镜M1、M2反射重新返回光纤中,当干涉仪两个臂间的光程差小于光源的相干长度时,两束光在FDC的另一输出端将发生干涉.输出的干涉信号进入光电探测器D.这样光电探测器D就给出了干涉强度和两束光光程差之间的函数关系,这就是干涉图.图2所示,方案为改进型的Michelson干涉仪.利用的则是Michelson干涉仪的对称性结构,传感光路定在待测结构中,参考光路由套管保护起来,两光路共用一个双面反射,移动这个反射镜可以同时调节两光路中的光程.若采用低相干光源入射,移动反射镜使两光束光程差为0.施加应力作用后,移动反射镜使两光路重新达到等光程,从移动的距离中即可获得施加应力的大小.外界温度发生变化时,由于两光路靠得很近,可认为两束光的相位随着温度发生相同的变化,从而实现了温度自动补偿.图3是带有偏振控制器的Michelson干涉仪.图中的光纤偏振控制器用来控制参考臂中传播的参考光的偏振态,使参考光和信号光的偏振态相互匹配,因为传输光偏振态对于相干光通信和光纤干涉仪以及干涉型光纤传感器的影响非常明显.步进电机用来改变传感臂中传输的信号光的光程,以此来改变信号光与参考光的相位差,进而改变从耦合器出来的干涉光的光强.从光电探测器(PD)出来的干涉光如果送入示波器,则可以用电信号演示由于步进电机的移动所导致的干涉光的强弱呈现有规律变化的情况,这点可以代替传统的Michelson干涉仪,可以形象地演示两束光的干涉过程;如果将从光电探测器出来的光送入PC机,可以直接观察两束光的干涉动态过程;另外,配合相关软件可以测量微位移、折射率、压力、磁场强度和应力等.3光纤监测系统的特点与普通机械、电子类传感器相比,光纤Michelson干涉传感器具有以下特点:1)抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、使用安全.由于光纤传感器是利用光波传输信息,而光纤是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质,并且安全可靠,这使得它可以方便有效地被用于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中.2)灵敏度高.光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器,如测量水声、加速度、辐射、磁场、应变和温度等物理量的光纤传感器,测量各种气体浓度的光纤化学传感器和测量各种生物量的光纤生物传感器等.3)重量轻、体积小、可挠曲.光纤除具有重量轻、体积小的特点外,还有可挠曲的优点,因此可以利用光纤制成不同外型、不同尺寸的各种传感器.4)测量对象广泛.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.5)传输损耗小.可实现远距离遥控监测.6)传输容量大.便于复用和成网,可实现多点分布式测量.7)成本低.有些种类的光纤传感器的成本大大低于现有同类传感器.而有些OFS由于其特殊性能,它和现有仪器结合,将使其大大增值.4michon干扰传感器的应用4.1光纤mi嫌犯干涉过程动态特征传统的Michelson干涉仪在演示双光束的干涉时,能够较清晰地看出干涉条纹,但动态演示干涉过程效果不理想.而光纤Michelson干涉仪系统能从电信号和光信号两方面演示双光束的干涉,特别是与PC机相连后,能够动态地演示双光束干涉的整个过程.4.2检测信号臂光纤端面与反射端面位置的关系在图3中,把信号臂一侧的反射端面贴在待测量对象(比如置于空气中)上,测定信号臂光纤端面与反射端面距离,当反射端面随着待测物体发生微位移时,干涉光的光强随之变化,以此来达到测量微位移的目的.4.3光纤端面与反射端面的距离在图3中,把信号臂一侧的反射端面固定,测定信号臂光纤端面与反射端面的距离后,把已知长度的待测物体置于信号臂光纤端面与反射端面之间.待测物体折射率改变了干涉光的光强,由光强的变化测量物体的折射率.4.4微应变、应力把信号臂紧贴在被测量对象表面,当应变波作用在信号臂上时,使光纤发生微小形变进而改变信号臂光纤的折射率,光纤的折射率的变化使相位差发生变化,进而使干涉光的光强变化,以此来达到测量微应变、应力的目的.4.5磁场强的测量把信号臂涂上一层磁敏材料置于待测量磁场中,当磁场作用在磁敏材料上时,使光纤发生收缩进而改变信号臂光纤的折射率和长度,这样相位差发生变化,进而使干涉光的光强变化,以此来测量磁场的强弱.4.6纤的反射端面位置.图3中,把压力膜片表面镀上一层反射膜作为信号臂光纤的反射端面,测定压力膜片信号臂光纤端面的距离.当待测压力作用在膜片上时,压力通过改变相位来改变反射率,进而改变干涉光的光强,来达到测量压力的目的.5中国传感器的市场在过去的20世纪里,西欧各国争相把传感器技术列为本国国防科技发展的重点技术,到了21世纪,各方面对传感器的需要也越来越强烈,预计于2010年将形成超过50亿美元市场的产业.中国传感器的市场近几年一直保持平稳的增长态势,2003年中国传感器的市场销售额为186亿元,同比增长32.9%.预计2007年
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