光纖傳感器的分類及其應(yīng)用研究

李帥君

摘要：作為信息科學(xué)分支的光電傳感器應(yīng)用技術(shù)，是將傳統(tǒng)光學(xué)與現(xiàn)代微電子及計算機(jī)緊密結(jié)合的紐帶[1]，是獲取光信息或借助光信息提取其他信息的重要手段。如今光纖傳感器已經(jīng)變得更加靈活、準(zhǔn)確且擁有更加智能的AI，并在各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。而本文闡述了光纖傳感器的原理特點及其分類，并主要介紹了光纖傳感器在石油工業(yè)、軍事等領(lǐng)域的一些具體應(yīng)用，并簡單設(shè)想了光纖傳感器在未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：光纖傳感器;應(yīng)用領(lǐng)域;未來發(fā)展

1引言

目前，光纖傳感器已經(jīng)朝著靈活、準(zhǔn)確、順應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向開展。其已經(jīng)成為深入國民經(jīng)濟(jì)各個部門的跨行業(yè)應(yīng)用器件，它被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的許多方面，凡是需要觀察與檢測的場所都有應(yīng)用的可能。它的非接觸、無損害、不受電磁干擾、能夠遠(yuǎn)距離傳送信息與遠(yuǎn)距離操縱控制等優(yōu)點是得到廣泛應(yīng)用的保障。它在航天、航空、石油、化工、國防、安全、城市建設(shè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等等各大領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。

2.光纖傳感器的特點及其分類

2.1光纖傳感器的工作原理

將光源入射的光束經(jīng)由光纖送入調(diào)制器，在調(diào)制器內(nèi)與外界被測參數(shù)的互相作用，使光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)作變化，稱為被調(diào)制的信號光，再過利用被測量對光的傳輸特性施加的影響，完成測量.

2.2光纖傳感器特點

因光纖傳感器主要是采用光纖較為良好、傳輸性能較高、奇特性較強(qiáng)的傳感功能進(jìn)行物理測量與機(jī)械測量。其具有一定的靈敏性與安全性，且與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器擁有良好抗電磁干擾能力，優(yōu)越絕緣性能，質(zhì)地柔軟的特點[2]。集傳感功能與傳輸功能于一體，數(shù)字通信的兼容性較高。

2.3光纖傳感器的分類

目前光纖傳感器大概有70多種，可以分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。

光纖自身的傳感器——光纖自身直接接收外界的被測量。外接的被測量物理量能夠引起測量臂的長度、折射率、直徑的變化，從而使得光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庠谡穹⑾辔?、頻率、偏振等方面發(fā)生變化。測量臂傳輸?shù)墓馀c參考臂的參考光互相比較，使輸出的光的相位或振幅發(fā)生變化，根據(jù)這個變化就可檢測出被測量的變化。

利用光纖的傳感器——傳感器位于光纖端部，光纖只是光的傳輸線，將被測量的物理量變換成為光的振幅，相位或者振幅的變化。在這種傳感器系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的傳感器和光纖相結(jié)合。光纖的導(dǎo)入使得實現(xiàn)探針化的遙測提供了可能性。這種光纖傳輸?shù)膫鞲衅鬟m用簡便、范圍廣，但是其精度卻比前者稍低。

3.光纖傳感器的應(yīng)用及其發(fā)展

光纖傳感器的應(yīng)用范圍非常廣，因為其本身絕緣于位移、加速度、轉(zhuǎn)矩、壓力、溫度、光聲、磁、電等方面，故其可以用于測量位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)動、彎曲、壓力、濕度、溫度、聲場、電壓、電流、磁場等物理量，幾乎涉及了國民經(jīng)濟(jì)和國防上所有重要領(lǐng)域，尤其是具有安全有效地在惡劣環(huán)境中使用這一特點，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。

光纖傳感器在人們的日常生活中許多領(lǐng)域也都有應(yīng)用，例如干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器在城市建設(shè)中橋梁、大壩、油田等中的應(yīng)用;分布式光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)測定溫度、電流等參數(shù)方面的應(yīng)用;光纖陀螺在飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈等的高性能慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用等等。此外，光纖傳感器還可以應(yīng)用于鐵路監(jiān)控、火箭推進(jìn)系統(tǒng)以及油井檢測等方面。以下是其中幾個領(lǐng)域方面的應(yīng)用：

1）光纖傳感器在軍事中的應(yīng)用——光纖水聽器

光纖水聽器主要用來測量水下聲信號，它通過高靈敏度的光纖相干檢測，將水聲信號轉(zhuǎn)換為光信號，并通過光纖傳至信號處理系統(tǒng)進(jìn)行識別。與傳統(tǒng)水聽器相比，光纖水聽器具有靈敏度高、響應(yīng)帶寬寬、不受電磁干擾等特點，從而應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。例如由幾百個到上千個光纖水聽器組成的水下聲吶，它一般布設(shè)在離海岸數(shù)十公里以上的海域中，并用光纖數(shù)據(jù)傳輸線來傳輸信號;拖曳式光纖聲吶基陣是由水面艦艇或潛艇拖曳一條很長的光纜，光纜的水下端布設(shè)若干個光纖水聽器所組成的[3]。這是一種移動式光纖聲吶基陣， 是定位分布式聲吶的補充。它對反潛探測有著重要作用。

2）光纖傳感器在溫度測量方面的應(yīng)用——光纖熒光溫度傳感器

光纖熒光溫度傳感器是一種新型的傳感器，這種傳感器在接受不同的溫度刺激之后會發(fā)出不同的光。這種傳感器原理是基于物體可以通過外接光源的照射而獲得能量，從而導(dǎo)致自身發(fā)光的現(xiàn)象[4]。這是一種光發(fā)射現(xiàn)象，當(dāng)材料受到溫度的刺激，材料會根據(jù)受到的溫度的不同而發(fā)光，這種材料的發(fā)光參數(shù)能夠與溫度一一對應(yīng)，我們就可以根據(jù)這種不同的發(fā)光參數(shù)來進(jìn)行溫度的監(jiān)測。

熒光強(qiáng)度型光纖傳感器會受到光纖彎曲、散射等影響，測量經(jīng)常會產(chǎn)生較大的誤 差。因此，當(dāng)前主要使用熒光壽命型溫度傳感器，這樣可以有效減低誤差，提高精度，過程也不容易受到各種因素的干擾。

此外，光纖傳感器還可以應(yīng)用于檢測技術(shù)、楊氏模量、鐵路監(jiān)控以及火箭推進(jìn)系統(tǒng)等方面。光纖傳感還可以不斷汲取光纖通信的新技術(shù)、新器件，各種光纖傳感器有望在物聯(lián)網(wǎng)中得到更加廣泛應(yīng)用。

4.總結(jié)

近年來，隨著光纖通信技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是不斷提高和完善的光纖與光電器件理論、工藝水平及性能，使光纖技術(shù)進(jìn)入了非通信領(lǐng)域。由光纖技術(shù)而誕生的光纖傳感技術(shù)在狹小的空間里，在強(qiáng)電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，都顯示出了獨特的魅力。因此，光纖傳感技術(shù)應(yīng)用的研究受到世界各國的青睞，自20 世紀(jì)80年代以就有許多各國的科學(xué)家對各種各樣的光纖傳感機(jī)理進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)。而在現(xiàn)代信息社會中，隨著相關(guān)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和完善，光纖傳感技術(shù)及其應(yīng)用將有著越來越重要的地位?！爸袊?010年遠(yuǎn)景規(guī)劃"[5]已將傳感器列為重點發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一，隨著我國加入世界貿(mào)易組織，傳感器的市場需求和發(fā)展空間的潛力是非常巨大的。

參考文獻(xiàn)：

[1]王慶友.《光電傳感器應(yīng)用技術(shù)》[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]吳偉龍. 光纖傳感器在YL-335B自動化生產(chǎn)線中的應(yīng)用[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（30）：18-19.

[3]王錚. 芻議光纖傳感器在軍事上的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 通訊世界，2019，26（9）：35-36.

[4]巴朗旭. 光纖溫度傳感器的研究與應(yīng)用[J]. 數(shù)字通信世界，2019，（7）：205.

[5]馬天兵， 杜菲. 光纖傳感器的應(yīng)用和發(fā)展[J]. 煤礦機(jī)械， 2004（8）.

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