全光纖傳感器

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

干涉型光纖傳感器的原理是: 根據(jù)光彈效應(yīng)， 當(dāng)外界振動信號作用在光纖上時， 光纖長度和折射率等發(fā)生使傳輸光的光程發(fā)生變化， 從而導(dǎo)致光相位變化。通過構(gòu)造光路使兩路相干光干涉， 從干涉光強中就能得到光相位變化的信息，光相位變化即對應(yīng)了外界振動信號的變化。干涉型光纖傳感器主要應(yīng)用的是邁克爾遜( Michelson) 干涉儀、 馬赫—曾德爾( Mach-Zenhder) 干涉儀、 Sagnac 干涉儀以及各干涉儀之間混合組成的干涉系統(tǒng) 。

SLD 為超輻射二極管提供 1 310 nm 的激光，DC1 為環(huán)形器，從光輸入端 1 輸入的光從 2 輸出， 從 2 中輸入的光從 3 中輸出。DC2 是均分 3 × 3 光纖耦合器， 輸入端5 為光源輸入端， 輸入端 6 為干涉光探測端， 輸入端 4 和輸出端 7 之間用數(shù)公里的延時線圈相連， 在輸出端 8 和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡( 10 位置處) 之間為振動信號檢測光纖， 這段光纖布設(shè)在電機需要監(jiān)測振動狀況的部位， 電機的振動作用于這段光纖上，對光纖中傳輸?shù)募す膺M行相位調(diào)制。從輸出端 6 輸出的干涉信號由 PIN2 接收，在該處干涉的兩路相干光所 走 的 路 徑 分 別 為: Path1， 1—2—5—8—9—10—9—8—4—7—6;Path2， 1—2—5—7—4—8—9—10—9—8—6。從輸出端 5 輸出的干涉光從 2 處輸入環(huán)形器， 并從 3 處輸出， 被 PIN1 接收， 輸出端 5處干涉的兩路相干光所走的路徑分別為: Path3，1—2—5—8—9—10—9—8—4—7—5; Path4， 1—2—5—7—4—8—9—10—9—8—5 。

假設(shè)在傳感臂上施加的電機振動信號為余弦調(diào)制， 則PIN1 和 PIN2 接收到的干涉光強可以分別表示為

I1 ( t) = A B cos( s cos ωst 0 ) ， ( 1) I2( t) = A B cos( scos ωst) ， ( 2)

式中 A 與 B 為正比于輸入的光強，ωs 和 s 分別為光纖感受到的電機振動信號的角頻率及其產(chǎn)生的兩路相干光相位差的幅值，0 為無外界振動時， 兩束相干光到達(dá) 6 位置時的固定相位差，對于圖 1 所示系統(tǒng)中使用的均分 3 × 3 耦合器，0 = 23 π。通過光強 I1 ( t) 和 I2 ( t) 可以解調(diào)出與電機振動信號呈正比的信號 φs( t) [ 8] ，用于進一步的頻譜分析 。

電機狀態(tài)監(jiān)測原理

電機在正常運行的狀態(tài)下， 產(chǎn)生的振動信號具有一定的穩(wěn)定性，因此，在頻域上也表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性。當(dāng)電機由于老化、 磨損、 有異物、 松動等原因使得其運行不穩(wěn)定時，它所產(chǎn)生的振動與穩(wěn)定狀態(tài)下相比有明顯的區(qū)別。對電機故障診斷使用的傳統(tǒng)方法是用頻譜儀對信號的頻譜進行分析。在正常狀態(tài)下，振動信號的頻譜大致由基頻 f0 及其各次諧波 1f0 ，2f0 ，3f0…構(gòu)成?；l f0 的大小與電機的運轉(zhuǎn)速度 v 有關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速 v 增大時，f0 也相應(yīng)增大， 同時 f0 的各次諧波的位置也會相應(yīng)的變化?；l f0 及其各次諧波的幅度值不同，一般而言基頻對應(yīng)的幅值最大。當(dāng)由于電機的故障導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)速降低、 振動加強時，信號的頻譜上對應(yīng)的會出現(xiàn)基頻和各次倍頻的移動及其幅值的改變 。傳統(tǒng)的頻譜分析主要借助的方法是離散傅里葉變換， 離散傅里葉變換的公式如式( 3) 所示

S( ω) = ∑N－1n = 0X( n) e － jnω ． ( 3)

其中，ω 為信號角頻率，S( ω) 為信號的頻譜，X( n) 為信號的離散采樣值 。

為實現(xiàn)對電機運行狀況是否良好的判斷， 必須對電機正常運行時所輻射出的噪聲進行頻譜分析， 提取正常運行時的頻譜特征， 如基頻和各次倍頻的位置和幅值。將每秒采集振動信號頻譜中的特征與正常運行時的特征比較， 運行時的值與正常值之差大于閾值時， 則認(rèn)為電機處于不正常狀態(tài) 。

首先，將一段細(xì)光纖（TF，其包層直徑為 80μm）與一段多模光纖（MMF）熔接，然后在兩側(cè)分別熔接兩段單模光纖（SMF）。 在熔接過程中，光纖都在熔接機自動模式下進行熔接。 雖然方法簡單，但熔接損耗增加會降低耦合率，從而影響條紋可見度、干擾頻譜并增加傳輸損耗，因此，需要進行精細(xì)的切割和嚴(yán)格按照熔接程序操作。 在 TF 中需要摻入足量的鍺，使 TF 具有1.4735 的折射率（n），傳輸波長 1550nm 時，其模 式場直 徑 約 為 4.5μm。 SMF 的 纖 芯/包 層 直 徑 為 9.2μm/125μm，階躍 MMF 纖芯/包層為 50μm/125μm。 光信號由 SMF 引入 MMF，在 MMF-TF 熔接點模場失配，部分功率耦合到 TF 包層內(nèi),將在 TF 包層內(nèi)激發(fā)多個模式。同樣，在 TF-SMF 熔接點，隨著TF 纖芯模式干擾的增強，TF 包層部分功率耦合到單模光纖纖芯的基模中。當(dāng)包層直徑減小后，TF 倏逝波傳輸功率的在包層中比例將會增強，因此從 TF 的包層進行光傳播，將會更有效地引發(fā)纖芯模式。此外，基模的倏逝波和周圍環(huán)境間的相互影響會導(dǎo)致透射譜中心的漂移，包層的有效折射率將隨著周圍環(huán)境因素的變化而改變。 由于干擾主要是由兩種模式形成，即占主導(dǎo)地位的低階包層模式和纖芯模式， 其結(jié)構(gòu)可被視為一個 MZI 。 與Δneff 或該傳感器長度 L 相關(guān)聯(lián)的環(huán)境變化將導(dǎo)致干擾衰減波峰的偏移，兩個干擾極小值（FSR）之間的波長間隔可以近似表示為：

Δλm=4neffL (2m 1)(2m-1)≈λ2m ΔneffL （1）

值得注意的是， 該傳感器的 FSR 將隨著 TF 長度L 的 增 加 而 減 少 。為 了 測 量SMTS 結(jié)構(gòu)傳感器 纖 芯 模 式 的變化，需要通過實 驗 來 比 較 采用單模-細(xì)纖芯-單模（STS）和 SMTS 光纖結(jié)構(gòu)這兩種情況下的不同。當(dāng) TF 長度保持48.38mm 時，SMTS 的 干 涉 條 紋 比 STS 的 可 見 度 提 高數(shù)倍，MMF 的模場直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 SMF 的模場直徑，因此，注入到 TF 的包層的光功率顯著增強。 此外，由于使用了 MMF，TF 的包層模式可能被激活；STS 結(jié)構(gòu)的纖芯模式 LP01 和 LP11， 由于 SMTS 和細(xì)光纖間的模場失配而激活 。

為了分析干擾模式的數(shù)量和功率分布波長光譜通過傅里葉變換后得到的空間頻率譜，在零點占主導(dǎo)地位的峰值強度與纖芯模式相關(guān)。 隨著 MMF 長度變化，功率主要分布在纖芯和低階包層，這意味著不同 長 度 的 模 式 耦 合主 要 發(fā) 生 在 纖 芯 和低階包層之間。多個次強峰對 應(yīng) 于 高 階 包 層 模式，纖芯模式和高階包 層 模 式 間 的 干 擾同 時 改 變 了 干 擾 包絡(luò)，當(dāng)傳感器放在折射率匹配液中來消除去包層模式時，干涉現(xiàn)象基本消失不同于纖芯模式 LP11 的包層模式能夠被激發(fā)出來 。

光纖傳感器網(wǎng)的三種基本構(gòu)成。

光纖傳感器網(wǎng)有三種基本構(gòu)成，其中一個叫單點式傳感器。一根光纖在這里僅僅起到傳輸?shù)淖饔?，另外一種叫多點式傳感器，在這里一根光纖把很多傳感器串起來，這樣很多傳感器可以共用光源實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性監(jiān)測。再有就是智能光纖傳感器。

多點式光纖傳感器，從外表看就是一節(jié)光柵，通過紫外線照射發(fā)現(xiàn)有周期性的間隔。當(dāng)有光纖入射的時候，如果光纖的波長正好等于間隔的兩倍，那么這個光波將會受到強烈的反射，而如果光纖受到溫度變化或者應(yīng)變等等，這個反射波長將會發(fā)生變化，這種傳感器在一根光纖上可以做很多個，把它連接起來就可以用于各種各樣的傳感應(yīng)用。

因為光纖是軟的，它可以兩維、三維，所以橫軸是空間的位置，縱軸是測量對象。這樣一個傳感網(wǎng)解決了什么問題呢"sup--normal" data-sup="2" data-ctrmap=":2,"> [2]

光纖傳感器已經(jīng)成功應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)監(jiān)測。我們看到A-380和波音787，它們的特點是超過一半數(shù)量是碳纖維，比如說碳纖維符合樹脂有幾種缺失，一個是層與層之間的剝離，由于這種材料比較強，所以很難像鋁合金材料那樣實行碳酸檢測，所以研究人員現(xiàn)在開始研究把光纖傳感器埋到復(fù)合材料當(dāng)中去，由于這種材料一層大概125微米的厚度，所以這種光纖傳感器必須是特別細(xì)小的光纖傳感器，大概直徑在50個微米左右。

我們說光纖傳感器網(wǎng)可以成為安全安心社會的神經(jīng)網(wǎng)。光纖傳感器網(wǎng)可以用于光纖通訊網(wǎng)的診斷技術(shù)。光纖傳感器網(wǎng)在安防方面已經(jīng)有很多的應(yīng)用，國內(nèi)有很多企業(yè)在這方面開展了卓有成效的工作。

光纖傳感器土木工程領(lǐng)域

隨著光纖傳感器技術(shù)的發(fā)展，在土木工程領(lǐng)域光纖傳感器得到了廣泛的應(yīng)用，用來測量混凝土結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)部應(yīng)力，檢測大型結(jié)構(gòu)、橋梁健康狀況等，其中最主要的都是將光纖傳感器作為一種新型的應(yīng)變傳感器使用。

光纖傳感器可以黏貼在結(jié)構(gòu)物表面用于測量，同時也可以通過預(yù)埋實現(xiàn)結(jié)構(gòu)物內(nèi)部物理量的測量。利用預(yù)先埋入的光纖傳感器，可以對混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷過程中內(nèi)部應(yīng)變的測量，再根據(jù)荷載－應(yīng)變關(guān)系曲線斜率，可確定結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷的形成和擴展方式。通過混凝土實驗表明，光纖測試的載荷－應(yīng)變曲線比應(yīng)變片測試的線性度高。

光纖傳感器檢測技術(shù)

光纖傳感器在航天（飛機及航天器各部位壓力測量、溫度測量、陀螺等）、航海（聲納等）、石油開采（液面高度、流量測量、二相流中空隙度的測量）、電力傳輸（高壓輸電網(wǎng)的電流測量、電壓測量）、核工業(yè)（放射劑量測量、原子能發(fā)電站泄露劑量監(jiān)測）、醫(yī)療（血液流速測量、血壓及心音測量）、科學(xué)研究（地球自轉(zhuǎn)）等眾多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

光纖傳感器石油工業(yè)

在石油測井技術(shù)中，可以利用光纖傳感器實現(xiàn)井下石油流量、溫度、壓力和含水率等物理量的測量。較成熟的應(yīng)用是采用非本征光纖F—P腔傳感器測量井下的壓力和溫度。非本征光纖F-P腔傳感器利用光的多光束干涉原理，當(dāng)被測的溫度或者壓力發(fā)生變化時干涉條紋改變，光纖F—P腔的腔長也隨之發(fā)生變化，通過計算腔長的變化實現(xiàn)溫度和壓力的測量。

光纖傳感器溫度測量

光纖傳感技術(shù)是伴隨光通信的迅速發(fā)展而形成的新技術(shù)。在光通信系統(tǒng)中，光纖是光波信號長距離傳輸?shù)拿劫|(zhì)。當(dāng)光波在光纖中傳輸時，表征光波的相位、頻率、振幅、偏振態(tài)等特征參量，會因溫度、壓力、磁場、電場等外界因素的作用而發(fā)生變化，故可以將光纖用作傳感器元件，探測導(dǎo)致光波信號變化的各種物理量的大小，這就是光纖傳感器。利用外界因素引起光纖相位變化來探測物理量的裝置，稱為相位調(diào)制傳感型光纖傳感器，其他還有振幅調(diào)制傳感型、偏振態(tài)調(diào)制型、傳光型等各種光纖傳感器。

光纖傳感器楊氏模量

采用傳感器測量儀代替光杠桿鏡尺組組成新的楊氏模量測量系統(tǒng)，不僅操作簡短，而且提高了測量結(jié)果的精確度和準(zhǔn)確度。金屬絲傳統(tǒng)的拉伸法的基本原理是將金屬絲受到砍碼的作用力后的微小伸長形變量通過鏡尺組的光路轉(zhuǎn)換而將之放大若干倍數(shù)，從而得到微小伸長，再通過計算得到楊氏模量值。

而自從有了傳感器，我們把光纖傳感器測量新方法和上述方法對比，光纖傳感器的測量在靈敏度、精確度及準(zhǔn)確度上都有提高。紅外光測距系統(tǒng)測量的基本原理為采用紅外光光纖傳感器直接測量微小位移，紅外光光纖傳感器對于3mm以內(nèi)的微小距離測量的線性度是非常高的。系統(tǒng)由傳感器測量儀與反射式光纖位移傳感器組成．

反射式光纖位移傳感器的工作原理是采用兩束多模光纖，一端合并組成光纖探頭，另一端分為兩束，分別作為接收光纖和光源光纖。當(dāng)光發(fā)射器發(fā)生的紅外光，經(jīng)光源光纖照射至反射體，被反射的光經(jīng)接收光纖，傳至光電轉(zhuǎn)換元件將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。其輸出的光強與反射體距光纖探頭的距離之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，所以可通過對光強的檢測得到位移量。在楊氏模量儀的金屬絲處的圓柱體上利用磁鐵固定鍍鎳反射金屬片，使其能隨鋼絲伸長而移動。在支架臺上固定紅外傳感器，而后在傳感器測量儀上通過改變位移將實驗得到的電勢差值，通過多次測試，既轉(zhuǎn)動傳感器測量儀自帶的螟旋測微儀，也即改變探頭與金屬片的距離和位置，當(dāng)出現(xiàn)實驗記錄的鋼絲仲長所對應(yīng)的電勢差值時，記錄此時的螺旋測微儀讀數(shù)。測試表明采用紅外光測距此方法操作簡單。只需將探頭和反射片安裝好后就可以直接開始在托盤上加法碼實際測量了，側(cè)量的結(jié)果是明顯優(yōu)于傳統(tǒng)測試。

一、靈敏度較高；

二、幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；

三、可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件；

四、可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境；

五、而且具有與光纖遙測技術(shù)的內(nèi)在相容性。

光纖傳感器的優(yōu)點是與傳統(tǒng)的各類傳感器相比，光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)，具有光纖及光學(xué)測量的特點，有一系列獨特的優(yōu)點。電絕緣性能好，抗電磁干擾能力強，非侵入性，高靈敏度，容易實現(xiàn)對被測信號的遠(yuǎn)距離監(jiān)控，耐腐蝕，防爆，光路有可撓曲性，便于與計算機聯(lián)接。

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，它能夠在人達(dá)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。