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光纖傳感器及其應(yīng)用

光纖傳感器是傳感器的一種類型,它使用光纖無論是作為感測(cè)元件(“固有傳感器”),,或作為從遠(yuǎn)程傳感器給該處理信號(hào)(“外在傳感器”)在電子中繼信號(hào)的裝置,。纖維在遙感中有許多用途,。根據(jù)應(yīng)用,可以使用光纖,,因?yàn)樗w積小,,或者因?yàn)檫h(yuǎn)程位置不需要電力,或者因?yàn)樵S多傳感器可以通過使用每個(gè)傳感器的光波長(zhǎng)移位沿光纖長(zhǎng)度復(fù)用,,或者通過感測(cè)光在光纖通過每個(gè)傳感器時(shí)的時(shí)間延遲,。可以使用諸如光時(shí)域反射計(jì)之類的設(shè)備來確定時(shí)間延遲可以使用實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻域反射計(jì)的儀器來計(jì)算波長(zhǎng)偏移,。

光纖傳感器

光纖傳感器也不受電磁干擾,,不導(dǎo)電,因此可用于有高壓電或易燃材料(如噴氣燃料)的地方,。光纖傳感器也可以設(shè)計(jì)成能承受高溫,。光纖可以用作傳感器,通過修改光纖來測(cè)量應(yīng)變,,溫度,,壓力和其他量,使得待測(cè)量的量調(diào)制光纖中光的強(qiáng)度,,相位,,偏振,波長(zhǎng)或傳播時(shí)間,。改變光強(qiáng)度的傳感器是最簡(jiǎn)單的,,因?yàn)橹恍枰?jiǎn)單的光源和探測(cè)器。本征光纖傳感器的一個(gè)特別有用的特征是,,如果需要,,它們可以在非常大的距離上提供分布式傳感。

溫度可以通過使用具有隨溫度變化的漸逝損失的光纖,,或通過分析光纖中的瑞利散射,,拉曼散射或布里淵散射來測(cè)量??梢酝ㄟ^特殊摻雜光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)來感測(cè)電壓,,其改變作為電壓或電場(chǎng)的函數(shù)的光的偏振。角度測(cè)量傳感器可以基于薩格納克效應(yīng),。

長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG)光纖等特殊光纖可用于方向識(shí)別 ,。英國(guó)阿斯頓大學(xué)的光子學(xué)研究小組有一些關(guān)于矢量彎曲傳感器應(yīng)用的出版物。

光纖用作地震和聲納應(yīng)用的水聽器,。已開發(fā)出每根光纜具有一百多個(gè)傳感器的水聽器系統(tǒng),。水聽器傳感器系統(tǒng)被石油工業(yè)以及一些國(guó)家的海軍使用。底部安裝的水聽器陣列和牽引拖纜系統(tǒng)都在使用中,。德國(guó)Sennheiser公司開發(fā)了一種用于光纖的激光麥克風(fēng),。

光纖麥克風(fēng)和基于光纖的耳機(jī)是在具有強(qiáng)電場(chǎng)或磁場(chǎng),,諸如之間的團(tuán)隊(duì)的人對(duì)MRI引導(dǎo)的手術(shù)過程中的磁共振成像(MRI)機(jī)內(nèi)的患者工作的通信區(qū)域是有用的。

已開發(fā)出用于溫度和壓力的光纖傳感器,,用于油井中的井下測(cè)量光纖傳感器非常適合這種環(huán)境,,因?yàn)樗诎雽?dǎo)體傳感器(分布式溫度傳感)的溫度下工作,。

光纖可以制成干涉?zhèn)鞲衅鳎绻饫w陀螺儀,,用于波音767和一些汽車模型(用于導(dǎo)航目的),。它們也用于制造氫傳感器。

光纖布拉格光柵以非常高的精度同時(shí)測(cè)量共同定位的溫度和應(yīng)變,。當(dāng)從小型或復(fù)雜結(jié)構(gòu)中獲取信息時(shí),,這尤其有用。光纖布拉格光柵傳感器也特別適用于遠(yuǎn)程監(jiān)控,,可以使用光纖電纜在距監(jiān)控站250公里的位置進(jìn)行查詢,。布里淵散射效應(yīng)也可用于檢測(cè)長(zhǎng)距離(20-120公里)的應(yīng)變和溫度。通過將計(jì)算長(zhǎng)度的光纖暴露于外部電場(chǎng),,在單模光纖中引入可測(cè)量的克爾非線性,,可以產(chǎn)生中高壓范圍(100-2000V)的光纖AC / DC電壓傳感器。測(cè)量技術(shù)基于極化檢測(cè),,在惡劣的工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了高精度,。

可以通過具有合適結(jié)構(gòu)的光纖中的感應(yīng)非線性效應(yīng)來檢測(cè)高頻(5MHz-1GHz)電磁場(chǎng)。所使用的光纖被設(shè)計(jì)成使得法拉第和克爾效應(yīng)在外場(chǎng)存在的情況下引起相當(dāng)大的相變,。通過適當(dāng)?shù)膫鞲衅髟O(shè)計(jì),,這種類型的光纖可用于測(cè)量不同的電磁量和纖維材料的不同內(nèi)部參數(shù)。

通過使用在極化檢測(cè)方案中與適當(dāng)信號(hào)處理相結(jié)合的結(jié)構(gòu)化大容量光纖安培傳感器,,可以在光纖中測(cè)量電功率,。已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)以支持該技術(shù)。

光纖傳感器用于電氣開關(guān)設(shè)備,,以將光從電弧閃光傳輸?shù)綌?shù)字保護(hù)繼電器,, 以使斷路器快速跳閘,從而降低電弧爆炸中的能量,。

基于光纖布拉格光柵的光纖傳感器可顯著提高多個(gè)行業(yè)的性能,,效率和安全性。借助FBG集成技術(shù),,傳感器可以提供詳細(xì)的分析和全面的分析報(bào)告,。這些類型的傳感器廣泛用于電信,汽車,,航空航天,,能源等多個(gè)行業(yè),。光纖布拉格光柵對(duì)靜壓,機(jī)械張力和壓縮以及光纖溫度變化很敏感,?;诠饫w布拉格光柵的光纖傳感器的效率可以通過根據(jù)當(dāng)前布拉格光柵反射光譜的發(fā)光源的中心波長(zhǎng)調(diào)節(jié)來提供。

外在傳感器
外在光纖傳感器使用光纖電纜,,通常是多模之一,,來發(fā)送調(diào)制的光,無論是從非光纖傳感器,,或連接到光發(fā)射器的電子傳感器,。外在傳感器的一個(gè)主要好處是它們能夠到達(dá)其他地方無法進(jìn)入的地方。一個(gè)例子是通過使用光纖將輻射傳輸?shù)轿挥诎l(fā)動(dòng)機(jī)外部的輻射高溫計(jì)來測(cè)量飛機(jī) 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的溫度,。外部傳感器也可以以相同的方式用于測(cè)量電力變壓器的內(nèi)部溫度,,其中極端電磁場(chǎng) 目前使其他測(cè)量技術(shù)不可能。

外部光纖傳感器為測(cè)量信號(hào)提供出色的保護(hù),,防止噪聲損壞,。遺憾的是,許多傳統(tǒng)傳感器產(chǎn)生電輸出,,必須將其轉(zhuǎn)換成與光纖一起使用的光信號(hào),。例如,在鉑電阻溫度計(jì)的情況下,,溫度變化轉(zhuǎn)化為電阻變化,。因此,PRT必須具有電源,。然后可以通過通常類型的發(fā)射器將PRT輸出端的調(diào)制電壓電平注入光纖,。這使測(cè)量過程復(fù)雜化并且意味著必須將低壓電力電纜布線到換能器。

外部傳感器用于測(cè)量振動(dòng),,旋轉(zhuǎn),,位移,速度,,加速度,,扭矩和溫度。

化學(xué)傳感器和生物傳感器
眾所周知,,光纖中光的傳播基于全內(nèi)反射(TIR)原理和包層內(nèi)的近零傳播損耗被限制在光纖的纖芯中,,這對(duì)光通信非常重要但限制由于光與周圍環(huán)境不相互作用,其傳感應(yīng)用,。因此,,必須利用新穎的光纖結(jié)構(gòu)來干擾光傳播,從而使光與周圍環(huán)境相互作用并構(gòu)建光纖傳感器,。到目前為止,,已經(jīng)提出了幾種方法,,包括拋光,化學(xué)蝕刻,,錐形,,彎曲以及飛秒光柵刻字,以定制光傳播并促進(jìn)光與傳感材料的相互作用,。在上述光纖結(jié)構(gòu)中,,可以有效地激發(fā)增強(qiáng)的消逝場(chǎng),以誘導(dǎo)光暴露于周圍介質(zhì)并與周圍介質(zhì)相互作用,。然而,纖維本身只能感知極少數(shù)類型的低靈敏度和零選擇性分析物,,這極大地限制了它們的開發(fā)和應(yīng)用,,特別是對(duì)于需要高靈敏度和高選擇性的生物傳感器。為了克服這個(gè)問題,,一種有效的方法是采用響應(yīng)材料,,一旦周圍環(huán)境發(fā)生變化,它就具有改變其性質(zhì)的能力,,例如RI,,吸收,電導(dǎo)率等,。由于近年來功能材料的快速發(fā)展,,各種傳感材料可用于光纖化學(xué)傳感器和生物傳感器制造,包括石墨烯,,金屬和金屬氧化物,,碳納米管,納米線,,納米粒子,,聚合物,量子點(diǎn)等,。通常,,這些材料在被周圍環(huán)境(目標(biāo)分析人員)刺激時(shí)可逆地改變其形狀/體積,然后導(dǎo)致RI的變化或傳感材料的吸收,。因此,,周圍的變化將被光纖記錄和詢問,實(shí)現(xiàn)光纖的傳感功能,。目前,,各種光纖化學(xué)傳感器和生物傳感器已被提出并證明。

關(guān)鍵詞:

光纖聯(lián)系