光纤传感器

光纤传感器目录•光纤角速度传感器•光纤压力传感器•分布式光纤传感器•光纤位移传感器光纤传感器近年来，传感器一直朝着灵敏、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却是倍受青睐。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。光纤传感器应用于对磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。其应用范围十分广泛，几乎涉及国民经济和国防上所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题。因此我们可以说光纤传感器具有很大的市场需求，不说长久，至少在未来5年，光纤传感器将会有广阔的发展前景。光纤电流传感器概述：光纤电流传感器是一种新型的电流传感器，与电磁式电流互感器相比，基于光学、微电子、微机技术的光纤式电流传感器（OFCT），具有无铁心、绝缘结构简单可靠，体积小、重量轻、线性度好、动态范围大、无饱和现象，输出信号可直接与微机化计量及保护设备接口等优点。这些优点既满足、推动了电力系统的发展，而且应用前景十分广阔。光纤电流传感器的工作原理与种类OFCT主要由传感头、输送与接收光纤、电子回路等三部分组成,如图所示。传感头包含载流导体,绕于载流导体上的传感光纤,以及起偏镜、检偏镜等光学部件。电子回路则有光源、受光元件、信号处理电路等。从传感头有无电源的角度,可分为无源式和有源式两类。无源式OFCTOFCT主要利用了Faraday磁光效应。即磁场不能对自然光产生直接作用,但在光学各向同性的透明介质中,外加磁场H可使在介质中沿磁场方向传播平面偏振光的偏振面发生旋转。这种现象被称为磁致旋光效应或Faraday效应。当一束线性偏振光通过置于磁场中的Faraday旋光材料时,若磁场方向与光的传播方向相同,则光的偏振面将产生旋转。旋转角H正比于磁场强度H沿偏振光通过材料路径的线积分:Θ=V∫LH∙dl=V∙i式中,V为磁光材料的Verder常数,旋转角度H与被测电流i成正比。利用检偏器将旋转角度H的变化,转换为输出光强度的变化,经光电变换及相应的信号处理,便可求得被测电流i。光纤电流传感器的传感头有源式OFCT这是一种基于传统互感器传感原理,利用有源器件调制技术、以光纤为信号传输媒介,将高压侧转换得到的光信号送到低压侧解调处理,并得到被测电流信号的新型传感器。它既发挥了光纤系统的绝缘性能好、抗干扰能力强的优点,明显降低了大电流高压互感器的体积、重量和制造成本,又利用了传统互感器原理技术成熟的优势,避免了纯光学互感器光路复杂、稳定性差等技术难点。有源OFCT是通过一次采样传感器(空心线圈或小CT,电阻分流器)将电流信号传递给发光元件而变成光信号,再由光纤传递到低电位侧、变换成电信号以后输出。高压侧电子器件供电方式有光供电、母线电流供电和太阳能电池供电等。目前应用最多的是采用空心线圈的有源式OFCT。有源式光纤电流传感器组成原理框图空心线圈的截面为矩形或圆形,其感应电动势与线圈的尺寸、匝数以及一次电流有关,受外磁场和载流导体位置的影响小。因此,对空心线圈的输出电压积分即可还原为被测电流。全光纤式AOFCT实际应用中还有一种全光纤(Al-lfiber)式CT,其工作原理与无源式OFCT相同,如图所示。全光纤式CT的传感头全光纤式AOFCT全光纤CT系统构成如图所示。整个结构按功能可分为光学传输、光学传感头和信号处理电路三部分。其中光学传输部分完成光信号的产生、传输、转换和干涉;光学传感头部分则传感导线中的电流,并将它转换为干涉光的相位信息;信号处理电路产生调制电压;对信号进行解算得到电流值。SLD(超光度二极管)光源发出的光经过单模(SM)耦合器后由起偏器起偏成为线偏光。线偏光以45b注入保偏光纤分别沿X轴或Y轴向前传播。当这两束正交模式的光经过K/4波片后,分别变为左旋和右旋的圆偏振光进入传感光纤。由于受到导线中的电流产生的磁场作用,左右旋圆偏振光以不同的速度传播,从而引起光波相位变化。光在由传感光纤端面的镜面反射后,这两束圆偏振光的偏振模式互换,再次通过传感光纤而再次受到磁场作用,使所受的作用效果加倍。这两束返回的光再次通过K/4波片后,恢复为线偏振光,并在起偏器处发生干涉。最后,携带相位信息的光由耦合器耦合进入探测器。在整个光的传播过程中,光都经历了保偏光纤的X轴和Y轴与传感光纤的左旋和右旋模式,只在时间上略有差异。光纤电流传感器的应用前景OFCT不仅能用于电力系统中电流的测量,而且与电机制造厂、测量仪器仪表厂结合,还可研制开发出线路事故点的标定装置及事故区间的判定装置等一系列电力系统的测量/诊断装置。基于法拉第电磁效应的光纤电流传感器外观安装于275KV地下输电线，用于检测输电线的浪涌电流的传感头应用于架空电缆的线路事故区间判定装置随着光电技术及其相关技术的迅速发展,OFCT在电力系统中的应用前景将日益广阔。光纤角速度传感器（光纤陀螺）光纤陀螺简介•光纤陀螺是一种用于惯性导航的光纤传感器•陀螺仪(gyroscope)意即“旋转指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一种传感器．光纤陀螺仪是广义上的陀螺仪，是根据近代物理学原理制成的具有陀螺效应的传感器。因其无活动部件——高速转子，称为固态陀螺仪。这种新型全固态的陀螺仪将成为未来的主导产品，具有广泛的发展前途和应用前景。光纤陀螺•实例光纤陀螺的工作原理•光纤陀螺的基本工作原理来自Sagnac效应。Sagnac效应是相对于惯性空间转动的闭环光路中断传播光的一种普遍的相关效应，即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相同的光，以互为相反的方向传输并最后汇聚到同一探测点；若绕垂直于闭合光路所在平面的垂线，相对惯性空间存在着旋转角速度，则正、反两束光走过的光程不等，产生光程差。理论上可以证明，其光程差与旋转角速度成正比，即式中L为光纤长度；D为光纤环直径；λ为光波长；c为真空中光速；Ω为转动角速度。使用低损耗单模光纤形成环状，其总长L可达几百米甚至上千米，可大幅度地提高环形干涉仪的灵敏度，即使是微小的转动也能够产生可探测的相位差。光纤陀螺的特点与机电陀螺或激光陀螺相比，光纤陀螺具有如下特点：(1)零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的抗冲击和抗加速运动的能力；(2)绕制的光纤较长，使检测灵敏度和分辨率比激光陀螺仪提高了好几个数量级；(3)无机械传动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的使用寿命；(4)易于采用集成光路技术，信号稳定，且可直接用数字输出，并与计算机接口联接；(5)通过改变光纤的长度或光在线圈中的循环传播次数，可以实现不同的精度，并具有较宽的动态范围；(6)相干光束的传播时间短，因而原理上可瞬间启动，无需预热；(7)可与环形激光陀螺一起使用，构成各种惯导系统的传感器，尤其是捷联式惯导系统的传感器；(8)结构简单、价格低，体积小、重量轻光纤陀螺的应用•陀螺仪的应用在我们周围无处不存在，例如，在国防领域中导弹的精确制导、潜艇长期潜伏在水下的精确导航、行进中的坦克保持火炮和瞄准系统的稳定等都离不开陀螺仪。在国民经济领域中，工程测量的精确定位、石油钻探的精确定向、机器人动作精确控制等也要靠光陀螺仪。即使在日常生活中，人们在不知不觉中也已经或将得益于陀螺仪。比如飞机在飞行中使旅客感到十分平稳和舒适是得益于陀螺仪构成的航向姿态参考系统。随着列车提速，消除车厢摆动尤其高速转弯时的摆动，就要借助于陀螺仪。还有，汽车行驶中的定位和导向，在目前主要靠GPS，但GPS的使用存在着被动性的缺点，当GPS与陀螺组合在一起时，才使汽车导向和自动驾驶真正具备了主动性。陀螺仪的应用十分广泛，以上的例子只是极少的一部分。•以上列举的应用是通过陀螺仪和伺服控制系统共同实现的，而陀螺仪在其中充当了一个十分重要的、不可缺少的角色。国内光纤陀螺的发展及应用情况•国内开展光纤陀螺研究已有近25年的历史，特别是在今年，光纤陀螺的研制和应用取得重大进展。光纤陀螺技术基本成熟且具有一定的生产能力，已在地面车辆定位定向’,导弹，稳像稳瞄等场合应用，研制的光纤陀螺已具备卫星应用的条件。光纤陀螺的优势已为惯性系统研制者认可，基于光纤陀螺的惯性系统研制也取得较大进展，为光纤陀螺的批量应用创造了良好的环境。•北京航空航天大学是国内最早开展光纤陀螺研究的单位之一，具有雄厚的理论和技术基础，先进的研究和工程化条件。现在已研制出高，中，低光纤陀螺产品系列，部分产品已具备一定的批量成产条件。光纤温度传感器系统结构及工作原理从室温到1800℃全程测温的光纤温度传感器的系统主要包括端部掺杂的光纤传感头、Y型石英光纤传导束、超高亮发光二极管（LED）及驱动电路、光电探测器、荧光信号处理系统和辐射信号处理系统。YF接触式光纤温度传感器系统的工作原理为:在低温区（400℃以下）,辐射信号较弱,系统开启发光二极管(LED)使荧光测温系统工作。发光二极管发射调制的激励光,经聚光镜耦合到Y型光纤的分支端,由Y型光纤并通过光纤耦合器耦合到光纤温度传感头。光纤传感头端部受激励光激发而发射荧光,荧光信号由光纤导出,并通过光纤耦合器从Y型光纤的另一分支端射出,由光电探测器接收。光电探测器输出的光信号经放大后由荧光信号处理系统处理,计算荧光寿命并由此得到所测温度值。而在高温区（400℃以上）,辐射信号足够强,辐射测温系统工作,发光二极管关闭。辐射信号通过蓝宝石光纤并通过Y型光纤输出,由探测器转换成电信号,系统通过检测辐射信号强度计算得到所测温度。光纤传感头端部由Cr3+离子掺杂,实现光激励时的荧光发射。掺杂部分光纤长度为8～10mm。端部光纤的外表面同时镀覆黑体腔,用于辐射测温。(这时,光纤黑体腔长度与直径之比大于10,可以满足黑体腔表观辐射率恒定的要求)。值得注意的是,避免或减少荧光发射部分与热辐射部分的相互干扰,对保证整个系统的性能十分重要。经过分析,可以发现这种干扰主要表现为:1)荧光信号中辐射背景信号对荧光寿命检测精度的影响,2)光纤表面镀覆对荧光强度的影响,3)光纤内Cr3+离子掺杂对黑体腔热辐射信号的影响。光纤温度传感器的技术分析半导体光纤温度传感器是由一个半导体吸收器、光纤、光源和包括光探测器的信号处理系统等组成。其体积小、灵敏度高工作可靠容易操作。且没有杂散光损耗。这种传感器的基本原理是利用有些半导体物质（如GaAs和CdTe）具有极陡的吸收光谱，波长比吸收端长的光可透过半导体，短的则被吸收。本导体的能量带隙随温度上升而减小，与能量带隙有关的吸收波长变长。如图所示，对于半导体的透射率特性曲线的过度边沿波长，随温度增加而向长波长方向位移。当一个辐射光谱峰值波长与相一致的光源发出的光通过此半导体时，其透射光的温度随温度的增加而减少。根据上述原理，可以制成半导体吸收或光纤温度传感器，其结构如图所示。在两根光纤之间夹放一块半导体薄片，并嵌入一根细的不锈钢管之中固定紧。作为传感材料的半导体可以是GaAs和CdTe。厚度分别取0.5mm和0.2mm，两个端面经过抛光。实用的半导体吸收式光纤温度传感器如图7所示，它包括上述半导体传感器、信号处理电路以及两个光源、一个探测器。光源是采用两只不同波长的发光二极管，一只是AlGaAs发光二极管，波长为，另一只是InGaPAs发光二极管，波长为。他们由脉冲发生器激励而产生两束脉冲光，并通过一个光耦合器5耦合到输入光纤中。每个光脉冲宽度为10ms。占空比为3%，光脉冲的时间间隔为20ms。两个光脉冲进入探头7后，其中的吸收元件对光的吸收随温度而变化，但由于温度传感头的半导体对的光不吸收，故取光作为参考信号。另一方面，采用雪崩光电二极管（APD）作为光探测器。m88.01m27.12热色效应光纤温度传感器许多无机溶液的颜色是随温度变化的，因而溶液的光吸收谱线也随