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(dòng)信號(hào)作用在光纖上時(shí)， 光纖長(zhǎng)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(qiáng)中就能得到光相位變化的信息，光相位變化即對(duì)應(yīng)了外界振動(dòng)信號(hào)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(cè)端， 輸入端 4 和輸出端 7 之間用數(shù)公里的延時(shí)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(dòng)信號(hào)檢測(cè)光纖， 這段光纖布設(shè)在電機(jī)需要監(jiān)測(cè)振動(dòng)狀況的部位， 電機(jī)的振動(dòng)作用于這段光纖上，對(duì)光纖中傳輸?shù)募す膺M(jìn)行相位調(diào)制。從輸出端 6 輸出的干涉信號(hào)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(jī)振動(dòng)信號(hào)為余弦調(diào)制， 則PIN1 和 PIN2 接收到的干涉光強(qiáng)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(qiáng)，ωs 和 s 分別為光纖感受到的電機(jī)振動(dòng)信號(hào)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(dòng)時(shí)， 兩束相干光到達(dá) 6 位置時(shí)的固定相位差，對(duì)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(qiáng) I1 ( t) 和 I2 ( t) 可以解調(diào)出與電機(jī)振動(dòng)信號(hào)呈正比的信號(hào) φs( t) [ 8] ，用于進(jìn)一步的頻譜分析 。

電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)原理

電機(jī)在正常運(yùn)行的狀態(tài)下， 產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)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(jī)由于老化、 磨損、 有異物、 松動(dòng)等原因使得其運(yùn)行不穩(wěn)定時(shí)，它所產(chǎn)生的振動(dòng)與穩(wěn)定狀態(tài)下相比有明顯的區(qū)別。對(duì)電機(jī)故障診斷使用的傳統(tǒng)方法是用頻譜儀對(duì)信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析。在正常狀態(tài)下，振動(dòng)信號(hào)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(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度 v 有關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速 v 增大時(shí)，f0 也相應(yīng)增大， 同時(shí) f0 的各次諧波的位置也會(huì)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(duì)應(yīng)的幅值最大。當(dāng)由于電機(jī)的故障導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速降低、 振動(dòng)加強(qiáng)時(shí)，信號(hào)的頻譜上對(duì)應(yīng)的會(huì)出現(xiàn)基頻和各次倍頻的移動(dòng)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(hào)角頻率，S( ω) 為信號(hào)的頻譜，X( n) 為信號(hào)的離散采樣值 。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀況是否良好的判斷， 必須對(duì)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)所輻射出的噪聲進(jìn)行頻譜分析， 提取正常運(yùn)行時(shí)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(dòng)信號(hào)頻譜中的特征與正常運(yùn)行時(shí)的特征比較， 運(yùn)行時(shí)的值與正常值之差大于閾值時(shí)， 則認(rèn)為電機(jī)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(jī)自動(dòng)模式下進(jìn)行熔接。 雖然方法簡(jiǎn)單，但熔接損耗增加會(huì)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(jìn)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(zhǎng) 1550nm 時(shí)，其模 式場(chǎng)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(hào)由 SMF 引入 MMF，在 MMF-TF 熔接點(diǎn)模場(chǎng)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(gè)模式。同樣，在 TF-SMF 熔接點(diǎn)，隨著TF 纖芯模式干擾的增強(qiáng)，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(huì)增強(qiáng)，因此從 TF 的包層進(jìn)行光傳播，將會(huì)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(huì)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(gè) MZI 。 與Δneff 或該傳感器長(zhǎng)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(gè)干擾極小值（FSR）之間的波長(zhǎng)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(zhǎng)度L 的 增 加 而 減 少 。為 了 測(cè) 量SMTS 結(jié)構(gòu)傳感器 纖 芯 模 式 的變化，需要通過實(shí) 驗(yàn) 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(zhǎng)度保持48.38mm 時(shí)，SMTS 的 干 涉 條 紋 比 STS 的 可 見 度 提 高數(shù)倍，MMF 的模場(chǎng)直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 SMF 的模場(chǎng)直徑，因此，注入到 TF 的包層的光功率顯著增強(qiáng)。 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(chǎng)失配而激活 。

為了分析干擾模式的數(shù)量和功率分布波長(zhǎng)光譜通過傅里葉變換后得到的空間頻率譜，在零點(diǎn)占主導(dǎo)地位的峰值強(qiáng)度與纖芯模式相關(guān)。 隨著 MMF 長(zhǎng)度變化，功率主要分布在纖芯和低階包層，這意味著不同 長(zhǎng) 度 的 模 式 耦 合主 要 發(fā) 生 在 纖 芯 和低階包層之間。多個(gè)次強(qiáng)峰對(duì) 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(shí) 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(shí)，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(gè)叫單點(diǎn)式傳感器。一根光纖在這里僅僅起到傳輸?shù)淖饔茫硗庖环N叫多點(diǎn)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性監(jiān)測(cè)。再有就是智能光纖傳感器。

多點(diǎn)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(shí)候，如果光纖的波長(zhǎng)正好等于間隔的兩倍，那么這個(gè)光波將會(huì)受到強(qiáng)烈的反射，而如果光纖受到溫度變化或者應(yīng)變等等，這個(gè)反射波長(zhǎng)將會(huì)發(fā)生變化，這種傳感器在一根光纖上可以做很多個(gè)，把它連接起來就可以用于各種各樣的傳感應(yīng)用。

因?yàn)楣饫w是軟的，它可以兩維、三維，所以橫軸是空間的位置，縱軸是測(cè)量對(duì)象。這樣一個(gè)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(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。我們看到A-380和波音787，它們的特點(diǎn)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(gè)是層與層之間的剝離，由于這種材料比較強(qiáng)，所以很難像鋁合金材料那樣實(shí)行碳酸檢測(cè)，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(gè)微米左右。

我們說光纖傳感器網(wǎng)可以成為安全安心社會(huì)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(guó)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(cè)量混凝土結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)部應(yīng)力，檢測(cè)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(cè)量，同時(shí)也可以通過預(yù)埋實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物內(nèi)部物理量的測(cè)量。利用預(yù)先埋入的光纖傳感器，可以對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷過程中內(nèi)部應(yīng)變的測(cè)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(kuò)展方式。通過混凝土實(shí)驗(yàn)表明，光纖測(cè)試的載荷－應(yīng)變曲線比應(yīng)變片測(cè)試的線性度高。

光纖傳感器檢測(cè)技術(shù)

光纖傳感器在航天（飛機(jī)及航天器各部位壓力測(cè)量、溫度測(cè)量、陀螺等）、航海（聲納等）、石油開采（液面高度、流量測(cè)量、二相流中空隙度的測(cè)量）、電力傳輸（高壓輸電網(wǎng)的電流測(cè)量、電壓測(cè)量）、核工業(yè)（放射劑量測(cè)量、原子能發(fā)電站泄露劑量監(jiān)測(cè)）、醫(yī)療（血液流速測(cè)量、血壓及心音測(cè)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(cè)井技術(shù)中，可以利用光纖傳感器實(shí)現(xiàn)井下石油流量、溫度、壓力和含水率等物理量的測(cè)量。較成熟的應(yīng)用是采用非本征光纖F—P腔傳感器測(cè)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(cè)的溫度或者壓力發(fā)生變化時(shí)干涉條紋改變，光纖F—P腔的腔長(zhǎng)也隨之發(fā)生變化，通過計(jì)算腔長(zhǎng)的變化實(shí)現(xiàn)溫度和壓力的測(cè)量。

光纖傳感器溫度測(cè)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(hào)長(zhǎng)距離傳輸?shù)拿劫|(zhì)。當(dāng)光波在光纖中傳輸時(shí)，表征光波的相位、頻率、振幅、偏振態(tài)等特征參量，會(huì)因溫度、壓力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)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(cè)導(dǎo)致光波信號(hào)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(cè)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(cè)量?jī)x代替光杠桿鏡尺組組成新的楊氏模量測(cè)量系統(tǒng)，不僅操作簡(jiǎn)短，而且提高了測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)，再通過計(jì)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(cè)量新方法和上述方法對(duì)比，光纖傳感器的測(cè)量在靈敏度、精確度及準(zhǔn)確度上都有提高。紅外光測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量的基本原理為采用紅外光光纖傳感器直接測(cè)量微小位移，紅外光光纖傳感器對(duì)于3mm以內(nèi)的微小距離測(cè)量的線性度是非常高的。系統(tǒng)由傳感器測(cè)量?jī)x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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。其輸出的光強(qiáng)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(duì)光強(qiáng)的檢測(cè)得到位移量。在楊氏模量?jī)x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(zhǎng)而移動(dòng)。在支架臺(tái)上固定紅外傳感器，而后在傳感器測(cè)量?jī)x上通過改變位移將實(shí)驗(yàn)得到的電勢(shì)差值，通過多次測(cè)試，既轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器測(cè)量?jī)x自帶的螟旋測(cè)微儀，也即改變探頭與金屬片的距離和位置，當(dāng)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)記錄的鋼絲仲長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的電勢(shì)差值時(shí)，記錄此時(shí)的螺旋測(cè)微儀讀數(shù)。測(cè)試表明采用紅外光測(cè)距此方法操作簡(jiǎn)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(shí)際測(cè)量了，側(cè)量的結(jié)果是明顯優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)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(cè)技術(shù)的內(nèi)在相容性。

光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)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(cè)量的特點(diǎn)，有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。電絕緣性能好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，非侵入性，高靈敏度，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控，耐腐蝕，防爆，光路有可撓曲性，便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)接。

傳感器朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、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(duì)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。