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儀器儀表：光纖傳感器的發(fā)展趨勢及應(yīng)用

[2011/3/23]

　　近年來，傳感器朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質(zhì)軟、重量輕的機械性能;絕緣、無感應(yīng)的電氣性能;耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等，它能夠在人達不到的地方(如高溫區(qū)或者對人有害的地區(qū)，如核輻射區(qū))，起到人的耳目作用，而且還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。

　　基本工作原理及應(yīng)用領(lǐng)域

　　光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學性質(zhì)(如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等)發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。

　　光纖傳感器的應(yīng)用于對磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測量。光纖傳感器的應(yīng)用范圍很廣，幾乎涉及國民經(jīng)濟和國防上所有重要領(lǐng)域和人們的日常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環(huán)境中使用，解決了許多行業(yè)多年來一直存在的技術(shù)難題，具有很大的市場需求。主要表現(xiàn)在以下幾個方面的應(yīng)用：

　　城市建設(shè)中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應(yīng)用。光纖傳感器可預(yù)埋在混凝土、碳纖維增強塑料及各種復(fù)合材料中，用于測試應(yīng)力松馳、施工應(yīng)力和動荷載應(yīng)力，從而評估橋梁短期施工階段和長期營運狀態(tài)的結(jié)構(gòu)性能。

　　在電力系統(tǒng)，需要測定溫度、電流等參數(shù)，如對高壓變壓器和大型電機的定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)的溫度檢測等，由于電類傳感器易受電磁場的干擾，無法在這類場合中使用，只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發(fā)展起來的一種用于實時測量空間溫度場分布的高新技術(shù)，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)不僅具有普遍光纖傳感器的優(yōu)點，還具有對光纖沿線各點的溫度的分布傳感能力，利用這種特點我們可以連續(xù)實時測量光纖沿線幾公里內(nèi)各點溫度，定位精度可達米的量級，測量精度可達1度的水平，非常適用大范圍交點測溫的應(yīng)用場合。

　　光纖傳感器的分類

　　光纖傳感器可分兩大類：一類是功能型(傳感型)傳感器;另一類是非功能性(傳光型)傳感器。

　　功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹姸、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，現(xiàn)通過被調(diào)制走的傳導(dǎo)進行解調(diào)，從而得出被測信號。

　　光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)被測量調(diào)制，多采用多模光纖。

　　優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度度。缺點：須用特殊光纖，成本高。典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。

　　非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)，常采用單模光纖。光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上被測量調(diào)制。

　　優(yōu)點：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，成本低。缺點：靈敏度較低。實用化的大都是非功能型的光纖傳感器

　　目前光纖傳感器已經(jīng)有70多種，光纖聲傳感器是一種利用光纖自身的傳感器。當光纖受到一點很微小的外力作用時，就會產(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力發(fā)生很大的變化。聲音是一種機械波，它對光纖的作用就是使光纖受力并產(chǎn)生彎曲，通過彎曲就能夠得到聲音的強弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種。與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本低，可以用于飛機、艦船、導(dǎo)彈等的高性能慣性民航系統(tǒng)。

　　熒光光纖傳感器

　　與化學傳感器不同，光纖生物傳感器主要是利用熒光免疫競爭原理實現(xiàn)對分析物的檢測。Shriver-Lake等人發(fā)展了一種適合于多目標檢測的熒光光纖傳感器，采用免疫競爭方法可同時檢測TNT和RDX(三次甲基三硝基胺)兩種爆炸物。他們將抗體固定在光纖表面，熒光標記抗原與自由抗原在光纖表面進行免疫競爭，通過檢測熒光強度的變化，可定量檢測爆炸物的體積分數(shù)。需要指出的是，雖然熒光光纖生物傳感器具有靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點，但使用穩(wěn)定性差是其難以克服的缺陷。

　　隨著新的熒光敏感材料的出現(xiàn)，爆炸物的熒光檢測方法也在不斷發(fā)展。Swager小組利用微納米顆粒材料比表面大的特點，利用層層組裝技術(shù)將共軛熒光高分子固定于微球表面，制成了可對硝基芳烴類炸藥實現(xiàn)靈敏檢測的功能熒光微球材料，并形象地稱其為“智能砂子”。針對共軛熒光高分子薄膜熒光傳感器的局限性，提出了以固定化多環(huán)芳烴的超分子行為為基礎(chǔ)的傳感薄膜材料設(shè)計新思想，制備了十余種新型傳感薄膜材料，已實現(xiàn)了對有機二酸等的選擇性檢測。實驗發(fā)現(xiàn)，在這些薄膜中，芘功能化薄膜對空氣中硝基芳烴類化合物的存在十分敏感，其靈敏度可與共軛熒光高分子薄膜相媲美，展現(xiàn)出很好的應(yīng)用開發(fā)前景。可以預(yù)期，薄膜熒光傳感器所具有的巨大優(yōu)勢必將使其在硝基芳烴類炸藥的超靈敏快速檢測方面獲得際應(yīng)用。

　　分布式光纖監(jiān)測技術(shù)

　　20世紀70年代，光纖監(jiān)測技術(shù)伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來。與傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)相比，光纖監(jiān)測技術(shù)有一系列獨特的優(yōu)點：

　　光纖傳感器以光信號作為載體，光纖為媒質(zhì)，光纖的纖芯材料為二氧化硅，因此，該傳感器具有耐腐蝕、抗電磁干擾、防雷擊等特點，屬本質(zhì)安全。

　　光纖本身輕細纖柔，光纖傳感器的體積小、重量輕，不僅限于布設(shè)安裝，而且對埋調(diào)部位的材料性能和力學參數(shù)影響甚小，能實現(xiàn)無損埋設(shè)。

　　靈敏度高，可靠性好，使用壽命長。分布式光纖監(jiān)測技術(shù)除了具有以上的特點外，還具有以下兩個顯著的優(yōu)點：可以準確地測出光纖沿線任一點的監(jiān)測量，信息量大，成果直觀;光纖既作為傳感器，又作為傳輸介質(zhì)，結(jié)構(gòu)簡單，不僅方便施工，潛在故障大大低于傳統(tǒng)技術(shù)，可維護性強，而且性能價格比好。

　　分布式光纖經(jīng)久耐用，安全可靠，由它構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)可以遍布壩體，這些光纖網(wǎng)絡(luò)猶如神經(jīng)系統(tǒng)，可以感知壩體各部位相關(guān)信息，大壩因此而有望成為一種機敏結(jié)構(gòu)。分布式光纖監(jiān)測技術(shù)是當代高科技的結(jié)晶，是一種理想的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，廣大安全監(jiān)測工作者應(yīng)予以積極推廣。

　　光纖測溫技術(shù)

　　光纖測溫技術(shù)是近年才發(fā)展起來的新技術(shù)，并已逐漸顯露出某些優(yōu)異特性？墒，正象其他新技術(shù)一樣，光纖測溫技術(shù)并不是萬能的，它不是用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法，而是對傳統(tǒng)測溫方法的補充與提高。充分發(fā)揮它的特長，就能創(chuàng)造出新的測溫方案與技術(shù)應(yīng)用的場合，如下所述：

　　強電磁場下的溫度測量。高頻與微波加熱方法受到人們重視，正在向如下領(lǐng)域逐漸擴展：金屬的高頻熔煉、焊接與淬火、橡膠的硫化、木材與織物的烘干以及制藥、化工，甚至家庭烹調(diào)等。光纖測溫技術(shù)在這些領(lǐng)域中有著絕對優(yōu)勢，因為它既無導(dǎo)電部分引起的附加升溫，又不受電磁場的干擾。

　　高壓電器的溫度測量。最典型的應(yīng)用是高壓變壓器繞阻熱點的溫度測量。英國電能研究中心從20世紀70年代中期就開始潛心研究這一課題，起初是為了故障診斷與預(yù)報，后來又用于計算機電能管理的應(yīng)用，轉(zhuǎn)入了安全過載運行，使系統(tǒng)處于最佳功率分配狀態(tài)。另一類應(yīng)用的場合是各種高壓裝置，如發(fā)電機、高壓開關(guān)、過載保護裝置，甚至架空電力線和地下電纜等。

　　易燃易爆物的生產(chǎn)過程與設(shè)備的溫度測量。光纖傳感器在本質(zhì)上是防火防爆器件，它不需要采用隔爆措施，十分安全可靠。與電學傳感器相比，既能降低成本又能提高靈敏度。例如，大型化工廠的反應(yīng)罐工作在高溫高壓狀態(tài)，反應(yīng)罐表面溫度特性的實時監(jiān)測可確保其正確工作，將光纖沿反應(yīng)罐表面鋪設(shè)成感溫網(wǎng)格，這樣任何熱點都能被監(jiān)控，可有效地預(yù)防事故發(fā)生。

　　高溫介質(zhì)的溫度測量。在冶金工業(yè)中，當溫度高于1300℃或1700℃時，或者溫度雖不高但使用條件惡劣時，尚存在許多測溫難題。充分發(fā)揮光纖測溫技術(shù)的優(yōu)勢，其中有些難題可望得到解決。例如，鋼液、鐵液及相關(guān)設(shè)備的連續(xù)測溫問題，高爐爐體的溫度分布等，有關(guān)這類研究國內(nèi)外都正在進行之中。

　　橋梁安全檢測。國內(nèi)在大橋安全檢測項目中，采用了光纖光柵傳感器，檢測大橋在各種情況下的應(yīng)力應(yīng)變和溫度變化情況。在大橋選定的端面上布設(shè)了8個光纖光柵應(yīng)變傳感器和4個光纖光柵溫度傳感器，其中8個光纖光柵應(yīng)變傳感器串接為1路，4個溫度傳感器串接為1路，然后由光纖傳輸?shù)綐蚬芩，實現(xiàn)大橋的集中管理。從測試結(jié)果來看，光纖光柵傳感器所取得的測試數(shù)據(jù)與預(yù)期結(jié)果一致。

　　鋼液澆鑄檢測。連鑄機在澆鑄時，為防止鋼液被氧化、提高質(zhì)量，希望鋼液在與空氣完全隔絕的狀態(tài)下，從大包流到中間包。但實際上，在大包澆鑄完時，是由操作員目視判斷渣是否流出，因而在大包澆鑄結(jié)束前5~10分鐘之間，密閉狀態(tài)已破壞。為了防止鑄坯質(zhì)量劣化及錯誤判斷漏渣，研制出光纖漏渣檢測裝置。