智能化光纖傳感器系統(tǒng)設計及應用研究

摘 要：近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。光纖傳感器倍受青睞，測溫系統(tǒng)在工業(yè)生產和科學研究等領域有著廣泛的應用前景。它為人類的通訊帶來了發(fā)展契機。文章從智能化光纖傳感器系統(tǒng)的實際發(fā)展狀況出發(fā)，通過對其工作原理、發(fā)展特點等的基本了解，從而掌握其設計及應用。

關鍵詞：智能化；光纖傳感器；工作原理；設計

引言

光纖傳感器技術是正在迅速發(fā)展起來的一項新技術，在智能化的光纖傳感器系統(tǒng)的發(fā)展過程中，光纖傳感器作為光纖應用的一大發(fā)展領域，具有適應性強、靈敏、精確、小巧、智能化等發(fā)展優(yōu)勢。對于網絡寬帶、電話等的數字信息傳輸，在自動化設備上計數、識別等起著非常關鍵的作用。光纖傳感器的應用已經遍布到人們生活的各個方面。深受廣大人民群眾的喜愛。通過科學、合理、有效地對智能化光纖傳感器系統(tǒng)進行設計，從而不斷地擴大其應用的發(fā)展領域是非常重要的。

1 智能化光纖傳感器系統(tǒng)的發(fā)展概述

1.1 智能化光纖傳感器系統(tǒng)的基本原理

光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光信號經過光纖送入調制器，使待測參數與進入調制區(qū)的光相互作用后，導致光的光學性質（如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調制的信號源，再經過光纖送入光探測器，經解調后，獲得被測參數。其傳感器大體上由出射光纖、入射光纖、光調制器、光源、光探測器組成。它是進一步實現(xiàn)信息的轉換、監(jiān)測傳遞功能的一種裝置。當光源發(fā)出的光經過入射光纖傳輸到調制區(qū)當中時，進入到調制區(qū)內的光源便會與外界相關的被測參數進行比對，產生相互作用。緊接著，便會將發(fā)生變化的相位、頻率、光強等進一步調制成為相應的信號光，從而通過出射光纖進一步傳輸到光探測器上。從而實現(xiàn)信號之間的傳遞、轉換。從嚴格的意義上來講，它便指的是用于檢測被測物體某種信號的一種傳感儀器裝置。它是處于傳輸處理系統(tǒng)和研究對象之間的一種接口裝置。可以實現(xiàn)感知、獲取、檢測、轉換等功能。

1.2 智能化光纖傳感器的發(fā)展特點

光纖傳感器是上世紀七十年代中期隨著光纖和光通信技術迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種采用光纖的新型傳感器，是以光作為被測敏感信息的傳輸途徑，以光纖作為傳遞被測敏感信息的介質，它同時具有光纖及光學測量的特點。光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應變、壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量，也可以測量氣體濃度、酸堿度等化學量，還有生物量等。由于光纖的頻帶寬，可用于遙測遙控，是一種良好的敏感元件，隨著經濟全球化的不斷變化發(fā)展，我國逐漸在朝著智能化、創(chuàng)新化的方向發(fā)展。就其智能化光纖傳感器系統(tǒng)而言，具有其獨特的發(fā)展特點。

（1）抗電磁干擾與信號串擾能力強，靈敏度高，電絕緣的性能優(yōu)良；（2）幾何形狀具有多方面的適應性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；（3）具有與光纖遙測技術的內在相容性；（4）智能化光纖傳感器可以進一步用于高溫、腐蝕、電氣噪聲、高壓等的惡劣環(huán)境中；（5）智能化光纖傳感器系統(tǒng)可以用于制造各種如溫度、聲、磁、旋轉等物理信息的傳感儀器。

1.3 智能化光纖傳感器的基本分類

1.3.1 按照其檢測對象進行劃分。按照其檢測對象進行劃分，大體上將智能化光纖傳感器分為氣體傳感器、位移傳感器、輻射傳感器、光譜傳感器、溫度傳感器、流速傳感器等等。每一種所實現(xiàn)的功能是不盡相同的，但均是作為一種良好的信息轉換裝置來工作。

1.3.2 按照其調制原理進行劃分。智能化光纖傳感器按照調制原理進行劃分，其大體上可以分為偏振態(tài)調制光纖傳感器、強度調制光纖傳感器、相位調制光纖傳感器、波長調制光纖傳感器、頻率調制光纖傳感器等。

2 智能化光纖傳感器系統(tǒng)的設計要求

2.1 智能化光纖傳感器系統(tǒng)探測信號的質量良好

在進行智能化光纖傳感器系統(tǒng)的設計過程中，保障其探測信號的質量良好是非常重要的。其在傳輸過程中，根據特性參數隨著時間的變化過程中波動要小。不存在老化及滯后現(xiàn)象的出現(xiàn)。除此之外，在進行信號的傳輸過程中，要方便進行信號的處理，且易傳輸信號。

2.2 設計過程中要考慮優(yōu)良的變換功能

在進行智能化光纖傳感器的設計過程中，要充分地考慮其相應的變換功能。要具備時間的穩(wěn)定性要求、動態(tài)變換的范圍要廣。對于降低電氣噪聲等的性能要高。重復性能好、靈敏度高等優(yōu)良的變換功能。

2.3 與相應的待測信號之間的匹配性能要高

在相關的光纖傳感器的設計過程中，對于其抗干擾的能力要進一步加強。除此之外，要充分地達到不受外界環(huán)境影響的優(yōu)良效果。有效地保證其與待測信號之間的匹配性。

3 智能化光纖傳感器系統(tǒng)的應用研究

3.1 在土木工程中的應用

隨著光纖傳感器技術的不斷發(fā)展，土木工程領域光纖傳感器得到了廣泛的應用，主要用來測量混凝土結構變形及內部應力，檢測大型結構、橋梁健康狀況等，它可以黏貼在結構物表面用于測量，同時也可以通過預埋實現(xiàn)結構物內部物理量的測量，利用預先埋入的光纖傳感器，可以對混凝土結構內部損傷過程中內部應變的測量，再根據荷載-應變關系曲線斜率，可確定結構內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-應變曲線比應變片測試的線性度高。

3.2 應用于金屬絲楊氏模量的測量

在光纖傳感器的應用發(fā)展過程中，對于金屬絲楊氏模量的測量是應用非常廣泛的。不僅操作相對簡單，而且有效地提高了測量結果的準確度和精確性要求。在測量的過程中，通過將金屬絲受到作用力之后產生的微小形變，通過借用智能化光纖傳感器進一步將其放大到若干倍。最終通過進一步計算得到楊氏模量。

3.3 在電力系統(tǒng)中的應用

在電力系統(tǒng)的發(fā)展過程中，最主要是針對大型電機的轉子、定子、高壓變壓器等相關電氣設備的溫度的測定。而在測定過程中，由于電力系統(tǒng)類的傳感器件在測量時會相應地受到磁場等的干擾，進而會導致其測量結果不準確，因此便會引發(fā)一系列的后果。對于其發(fā)展是非常不利的。因此，在其測量的過程中，采用智能化光纖傳感器是非常必要的。采用智能化的光纖傳感器系統(tǒng)不僅可以對電力系統(tǒng)周邊的環(huán)境做出相應的感應，還會在一定程度上避免磁場的干擾。除此之外，光纖作為一種光波信號距離傳輸的媒介，可以有效地利用外界因素引起的相應變化，從而進行溫度、磁場、頻率、相位等物理量的感知。

3.4 應用于檢測技術

光纖傳感器廣泛應用于航天（包括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）、生物醫(yī)學（醫(yī)用溫度壓力、顱內壓測量、微創(chuàng)手術、一次性探頭）科學研究（地球自轉）。

4 結束語

綜上所述，光纖傳感器具有一些常規(guī)傳感器無可比擬的特點具有廣闊的發(fā)展前景，它是現(xiàn)代傳感器技術的發(fā)展方向之一，普遍受到社會相關企業(yè)單位的高度重視。通過上述的研究分析可以發(fā)現(xiàn)，其智能化光纖傳感器在土木工程、電力工程、石油化工行業(yè)的發(fā)展中扮演著非常重要的角色。不斷完善相關的設計準則、開拓新市場，拓寬市場發(fā)展領域，對于智能化光纖傳感器的發(fā)展有著重大發(fā)展意義。

參考文獻

[1]葉順廠，王幸國，胡碩臻，等.光纖光柵傳感器在稱重系統(tǒng)中的應用[J].傳感器世界，2014，01.

[2]何道青.傳感器與傳感器技術[J].北京：科學出版社，2004，8.

[3]吳曉靜.光纖故障定位系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].河北科技大學，2013（12）.

作者簡介：黃孫新（1982，6-），男，漢族，籍貫：海南，學歷：本科，職稱：中級，研究方向：電力通信。