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元件(“固有傳感器”),或作為從遠(yuǎn)程傳感器給該處理信號(“外在傳感器”)在電子中繼信號的裝置。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傳感器的光波長移位沿光纖長度復(fù)用,或者通過感測光在光纖通過每個傳感器時的時間延遲??梢允褂弥T如光時域反射計(jì)之類的設(shè)備來確定時間延遲可以使用實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻域反射計(jì)的儀器來計(jì)算波長偏移。
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,通過修改光纖來測量應(yīng)變,溫度,壓力和其他量,使得待測量的量調(diào)制光纖中光的強(qiáng)度,相位,偏振,波長或傳播時間。改變光強(qiáng)度的傳感器是最簡單的,因?yàn)橹恍枰唵蔚墓庠春吞綔y器。本征光纖傳感器的一個特別有用的特征是,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量。可以通過特殊摻雜光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)來感測電壓,其改變作為電壓或電場的函數(shù)的光的偏振。角度測量傳感器可以基于薩格納克效應(yīng)。
長周期光纖光柵(LPG)光纖等特殊光纖可用于方向識別 。英國阿斯頓大學(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)電場或磁場,諸如之間的團(tuán)隊(duì)的人對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?,例如光纖陀螺儀,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測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,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)也可用于檢測長距離(20-120公里)的應(yīng)變和溫度。通過將計(jì)算長度的光纖暴露于外部電場,在單模光纖中引入可測量的克爾非線性,可以產(chǎn)生中高壓范圍(100-2000V)的光纖AC / DC電壓傳感器。測量技術(shù)基于極化檢測,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)來檢測高頻(5MHz-1GHz)電磁場。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方案中與適當(dāng)信號處理相結(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,能源等多個行業(yè)。光纖布拉格光柵對靜壓,機(jī)械張力和壓縮以及光纖溫度變化很敏感。基于光纖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。一個例子是通過使用光纖將輻射傳輸?shù)轿挥诎l(fā)動機(jī)外部的輻射高溫計(jì)來測量飛機(jī) 噴氣發(fā)動機(jī)內(nèi)的溫度。外部傳感器也可以以相同的方式用于測量電力變壓器的內(nèi)部溫度,其中極端電磁場 目前使其他測量技術(shù)不可能。
外部光纖傳感器為測量信號提供出色的保護(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。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。
外部傳感器用于測量振動,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,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,特別是對于需要高靈敏度和高選擇性的生物傳感器。為了克服這個問題,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。
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