2023年了解采用光导纤维的光电传感器的应用.doc

光纤技术及其应用 　一、光纤传感器的原理和组成 　　光纤传感器主要由光源、光纤与探测器3局部组成，光源发出的光耦合进光纤，经光纤进入调制区，在调治区内，外界被测参数作用于进入调区内的光信号，是其光学性质如光的强度、相位、偏振态、波长等发生变化成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器而获得被测参数，光纤传感器中的光纤通常由纤芯、包层、树脂涂层和塑料护套组成，纤芯和包层具有不同的折射率，树脂涂层对光纤起保护作用。光纤主要分为两类﹐一是渐变光纤﹐一是跃阶光纤。前者的折射率是渐变的﹐而后者的折射率是突变的。另外还分为单模光纤及多模光纤 近年来﹐又有新的光子晶体光纤问世。依材质：石英玻璃、多组份玻璃、氟化物、塑料、液芯。 依转输方式分：单模、多模级射、多模斜射。 依折射率分：阶跃型、渐变型光纤。依工作波长分：短波长光纤、长波长光纤、超长波长光纤。光纤是基于光的全反射原理而工作的。当入射角 在此范围内时，光在界面产生全反射，并在光纤内部一同样的角度反复逐次反射，知道传播到光纤的另一端面。如果工作需要光纤微弯曲，只要仍满足全反射定律，那么光仍然可以继续前进。如果入射角超出上述范围，那么进入光纤的光线便会在截面上发生折射，并透入包层。 　　二、光纤传感器的类型及特点 　　1、特点：灵敏度高，耐腐蚀，电绝缘，防爆性好，抗电磁干扰，光路可挠曲，易于与连接，便于遥测等；而且：结构简单，尺寸小，质量轻，频带宽，可进行温度、应变、压力等多种参数的分布式测量。因此自从光纤传感技术随着光纤通信技术的开展逐步形成之后，它就得到了深入的研究和广泛的应用，现今光纤传感器已经能够对温度、压力、温度、振动、电流、电压、磁场等物理量进行测定，其应用范围深入至国防军事、航天航空、土木工程、电力、能源、环保、医学等，开展空间相当广阔！ 　　2、分类： 　　①按光纤传感器中光纤的作用可分为传感型和传光型两种类型。 　　传感型光纤传感器又称为功能型光纤传感器，主要使用单模光纤，光纤不仅起传光作用，同时又是敏感元件，它利用光纤本身的传输特性经被测物理量作用而发生变化的特点，使光波传导的属性(振幅、相位、频率、偏振)被调制。因此，这一类光纤传感器又分 为光强调制型，偏振态调制型和波长调制型等几种。对于传感型光纤传感器，由于光纤本身是敏感元件，因此加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度。 　　传光型光纤传感器又称非功能型光纤传感器，它是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后，通过在输出段进行光信号处理而进行测量的。在这类传感器中，光纤仅作为传光元件，必须附加能够对光纤所传递的光进行调治的敏感元件才能组成传感元件 　　②光纤传感器根据其测量范围还可分为点式光纤传感器，分布式光纤传感器。 　　单点光纤传感器，只能对某一点做连续测量，分布式光纤传感器是理想的结构应变分布的监测器 ,它能在对结构无损伤的情况下 ,利用光导纤维具有的传感运输双重特性，迅速实现对待测场沿光纤分布的多点甚至连续点测量，以到达取代多台独立点传感器的目的。分布式光纤系统的根本原理为：光源发出脉冲光经分光束进入光纤，光纤中的背向散射光经分光束耦合进入调制器，调制器把待测对播送参数的调制变成功率的变化并进入光点检测器。根据背向散射光的功率及其相对于注入光脉冲的时延可以得出测场沿光纤的分布。 　　三、光纤传感器的应用 　　1、在航天器及船舶中的应用 　　先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好，而且可以减轻船体或航天器的重量，对于快速航运或飞行具有重要意义，因此复合材料越来越多地被用于制造航空航海工具(如飞机的机翼)。 为全面衡量船体的状况，需要了解其不同部位的变形力矩、剪切压力、甲板所受的抨击力，对于普通船体大约需要100个传感器，因此波长复用能力极强 的光纤光栅传感器最适合于船体检测。光纤光栅传感系统可测量船体的弯曲应力，而且可测量海浪对湿甲板的抨击力。具有干预探测性能的16路光纤光栅复用系统 成功实现了在带宽为5kHz范围内、分辨率小于10nε/(Hz)1/2的动态应变测量。另外，为了监测一架飞行器的应变、温度、振动、起落驾驶状态、超声波场和加速度情况，通常需要100多个传感器，故传感器的重量要尽量轻，尺寸尽量小，因 此最灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。另外，实际上飞机的复合材料中存在两个方向的应变，嵌人材料中的光纤光栅传感器是实现多点多轴向应变和温度测量的理想智能元件。 　　2、在民用工程结构中的应用 　　民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活泼的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的。通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及状况。光纤光栅传感器可以贴在结构的外表或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检 测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。 　　①光纤传感器在温度测试中的应用 　　它是利用光在光纤中传输能够产生后向散射，在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，那么它在光纤中传输的同时不断产生后向散射光波，这些后向散射光波的状态受到所在光纤散射点的温度影响而有所改变，将散射回来的光波经波分复用、检测解调后，送入信号处理系统便可将温度信号实时显示出来，并且由光纤中光波的传输速度和背向光回波的时间对这些信息定位 　　②光纤传感器在裂缝监测中的应用 　　当地下深部发生变形时，必将挤压砂浆体产生相应形变，导致裂缝或滑移〔错动〕的产生，进而引起埋入光纤的微弯，该处的微弯将破坏光波导的全反射条件，使光损耗增加，产生衰减，利用光纤监测地下深部变形，就是基于微弯衰减的传感机制。埋入洞内的光纤，全部是传感局部，受深部变形作用，光纤产生微弯或挠曲，致使光损耗增大；OTDR检测到全过程的散射光强分布。〔OTDR是一种用于光纤通信故障定位的技术，现在普遍运用于分布式光纤传感器系统中〕 　　③光纤传感器在光纤光缆中的应用 　　光缆通信在我国已有20多年的使用历史，这段历史也就是光通信技术的开展史和光纤光缆的开展史。光纤光缆在我国的开展可以分为这样几个阶段：对光缆可用性的探讨；取代市内局间中继线的市话电缆和PCM电缆；取代有线通信干线上的高频对称电缆和同轴电缆。这两个取代应该说是完成了；现正在取代接入网的主干线和配线的市话主干电缆和配线电缆，并正在进入局域网和室内综合布线系统。目前，光纤光缆已经进入了有线通信的各个领域，包括邮电通信、播送通信、电力通信和军用通信等领域。 　　④光纤传感器在智能大桥中的应用 　　它是将传感元件、驱动元件以及信息处理控制系统集成于主体材料中 ,使制成的构件不仅具有承受载荷、传递运动的能力 ,而且具有检测多种参数 (如应力、应变、损伤、温度、压力等 )、分析、处理及控制等多种功能。它出现时间不长 ,但已成为目前国内外研究的热点。具有智能材料结构特点的智能桥梁能对 智能材料结构的动作流程图桥梁的施工质量、运营中的应力状态以及其它多种参数进行长期实时在线监测 ,并根据对大量传感信息的实时综合分析采取适当、及时的控制措施 ,因而可以极大地提高工程结构的安全性和可靠性 ,防止灾难性事故的发生。 　　3、在电力工业中的应用 　　光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可实现长距离低损耗传输，从而成为电力工业应用的理想选择。电线的载重量、变压器绕线的温度、大电流等都可利用光纤光栅传感器测量。 　　4、在医学中的应用 　　光纤光栅传感器还可用来测量心脏的效率。在这种方法中，医生把嵌有光纤光栅的热稀释导管插入病人心脏的右心房，并注射人一种冷溶液，可测量肺动脉血液的温度，结合脉功率就可知道心脏的血液输出量，这对于心脏监测是非常重要的。 　　5、在化学传感中的应用 　　光纤光栅传感器可用于化学传感，因为光栅的中心波长随折射率的变化而变化，而光栅间倏失波的相互作用以及环境中的化学物质的浓度变化都会引起折射率的变化。 　　四、光纤在光缆通信中的应用 　　1、光缆技术的开展特点 　　⑴光网络的开展使得光缆的新结构不断涌现 　　光缆的结构总是随着光网络的开展、使用环境的要求而开展的。新一代的全光网络要求光缆提供更宽的带宽、容纳更多的波长、传送更高的速率、便于安装维护、使用寿命更长等。近年来，光缆结构的开展可归纳为以下一些特点。 　　①光缆结构根据使用的网络环境有了明确的光纤类型的选择，如干线网光纤、城域网光纤、接入网光纤、局域网光纤等，这决定了大范围内光缆光纤传输特性的要求，具体运用的条件还有可依据的细分的标准及指标； 　　②光缆结构除考虑光缆使用环境条件以外，越来越多的与其施工方法、维护方法有关，必须统一考虑，配套设计； 　　③光缆新材料的出现，促进了光缆结构的改良，如干式阻水料、纳米材料、阻燃材料等的采用，使光缆性能有明显改良。 不同的场合和不同的要求造成了光缆的多结构的开展趋势，新的光缆结构以及在现有结构上不断改良的各种结构也在不断涌现，出现了如下一些类型： 　　1〕“干缆芯〞式光缆：所谓“干缆芯〞即区别于常用的填充管型的光缆缆芯。这种缆的阻水功能主要靠阻水带、阻水纱和涂层组合来完成，其防水性能、渗水性能都与传统的光缆相同，但它具有生产、运输、施工和维护上的一些优点。首先是方便，因为阻水材料不含粘性脂类，操作使用比拟方便安全；其次，干式光缆重量轻、易接续、易搬运，设备投资小、本钱低，生产使用中也显得干净卫生，在长期使用中还可减少缆芯中各种元件之间的相对移动。特别是在接入网室内缆和用户缆中，好处更加明显。 　　2〕生态光缆：一些公司从环境保护及阻燃性能的要求出发，开发了生态光缆，应用于室内、楼房及家庭。现有光缆中使用的一些材料已不符合环保的要求，如PVC燃烧时会放出有毒性气体，光缆稳定剂中有时含铅，都是对人体及环境有害的。2023年ITU-T已通过了一项L45建议——“使电信网外部设备对环境的影响最小化〞建议，通过对光缆、电缆光器件及电杆等基于寿命周期怦估〔Life CycleAnalysis，LCA〕的方法来确定产品对环境的影响。由于环境因素正日益受到重视，对通信外部设备，特别是光缆产品规定这样的指标已提到日程上来，如果不在材料和工艺上下功夫就难以到达环保的要求。因此已有不少公司针对此类问题开发了一些新材料，如对室内用缆，开发了含有阻燃添加剂的聚酞胺化合物，以及无卤性阻燃塑料等。 　　3〕海底光缆：海底光缆近年来有根快的开展，它要求长距离、低衰减的传输，而且要适应海底的环境，对抗水压、抗气损、抗拉伸、抗冲击的要求都特别严格。 　　4〕浅水光缆〔Marinized Terrestrail Cable，MTC〕：浅水光缆是区别于海底光缆而提出来的另一类结构的水下光缆，适合于在海岸边上、浅水中安装，无需中继、通信距离比拟短的水下〔如岛屿间、沿海岸边上的城市〕敷设使用。这种光缆区别于海底光缆的环境，需要的光纤数不多〔中等〕，但要求结构简单、本钱较低，易于安装和运输，便于修复和维护。ITU-T在2023年提出了ITU-T G.972定义下的浅水光缆建议，为建设类似的水下光缆提供了一组标准，随后也有可能形成相应的国际标准。 　　5〕微型光缆：为了配合气压安装〔或水压安装〕施工系统的运用，各种微型的光缆结构已在设计和使用中。对于气压安装的微型光缆，要求光缆与管道之间有一定的系数，光缆重量要准确，具有一定的硬度等。这种微型光缆和自动安装的方式是未来接入网，特别是用户驻地网络中综合布线系统很有潜力的一种方式，如在智能建筑中运用的智能管道中就非常适合这种安装。 　　6〕采用了纳米材料的光缆：近来，一些厂商已开发出纳米光纤涂料、纳米光纤油膏、纳米护套用聚乙烯〔PE〕及光纤护套管用纳米PBT等材料。采用纳米材料的光缆，利用了纳米材料所具有的许多优异性能，对光缆的抗机械冲击性能、阻水、阻气性都有一定的改善，并可延长光缆的