【導(dǎo)讀】傳感器具備靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。其中，光纖傳感器是傳感器家族倍受青睞的新成員。本文將詳細(xì)介紹光纖傳感器基本構(gòu)成、原理及其各種應(yīng)用。
光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能；絕緣、無感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，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))，起到人的耳目的作用，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。
光纖傳感器基本構(gòu)成及原理
光纖傳感器由光源、入射光纖、出射光纖、光調(diào)制器、光探測(cè)器以及解調(diào)制器組成。其基本原理是將光源的光經(jīng)入射光纖送人調(diào)制區(qū)，光在調(diào)制區(qū)內(nèi)與外界被測(cè)參數(shù)相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)(如強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏正態(tài)等)發(fā)生變化而成為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)出射光纖送入光探測(cè)器、解調(diào)器而獲得被測(cè)參數(shù)。
光纖傳感器按傳感原理可分為兩類：一類是傳光型(非功能型)傳感器，另一類是傳感型(功能型)傳感器。在傳光型光纖傳感器中，光纖僅作為光的傳輸媒質(zhì)，對(duì)被測(cè)信號(hào)的感覺是靠其它敏感元件來完成的，這種傳感器中出射光纖和入射光纖是不連續(xù)的，兩者之間的調(diào)制器是光譜變化的敏感元件或其它性質(zhì)的敏感元件。在傳感型光纖傳感器中光纖兼有對(duì)被測(cè)信號(hào)的敏感及光信號(hào)的傳輸作用，將信號(hào)的“感”和“傳” 合而為一，因此這類傳感器中光纖是連續(xù)的。
由于這兩種傳感器中光纖所起的作用不同，對(duì)光纖的要求也不同。在傳光型傳感器中光纖只起傳光的作用，采用通信光纖甚至普通的多模光纖就能滿足要求，而敏感元件可以很靈活地選用優(yōu)質(zhì)的材料來實(shí)現(xiàn)，因此這類傳感器的靈敏度可以做得很高，但需要較多的光耦合器件，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；傳感型光纖傳感器的結(jié)構(gòu)相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單，可少用一些耦合器件，但對(duì)光纖的要求較高，往往需采用對(duì)被測(cè)信號(hào)敏感、傳輸特性又好的特殊光纖。到目前為止，實(shí)際中大多數(shù)采用前者，但隨著光纖制造工藝的改進(jìn)，傳感型光纖傳感器也必將得到廣泛的應(yīng)用。
按光在光纖中被調(diào)制的原理不同，光纖傳感器可分為：強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型、頻率調(diào)制型、波長(zhǎng)調(diào)制型等。迄令為止，光纖傳感器能夠測(cè)定的物理量已達(dá)七十多種。光纖傳感器特點(diǎn)與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。
光纖傳感器具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)
光纖傳感器具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)
(1) 靈敏度高。由于光是一種波長(zhǎng)極短的電磁波，通過光的相位便得到其光學(xué)長(zhǎng)度。以光纖干涉儀為例，由于所使用的光纖直徑很小，受到微小的機(jī)械外力的作用或溫度變化時(shí)其光學(xué)長(zhǎng)度要發(fā)生變化，從而引起較大的相位變化。假設(shè)用1 0米的光纖，l℃的變化引起1000ard的相位變化，若能夠檢測(cè)出的最小相位變化為0.01ard，那么所能測(cè)出的最小溫度變化為l 0℃ ，可見其靈敏度之高。
(2) 抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖又是電絕緣、耐腐蝕的傳輸媒質(zhì)，并且安全可靠，這使它可以方便有效地用于各種大型機(jī)電、石油化工、礦井等強(qiáng)電磁干擾和易燃易爆等惡劣環(huán)境中。
(3) 測(cè)量速度快。光的傳播速度最快且能傳送二維信息，因此可用于高速測(cè)量。對(duì)雷達(dá)等信號(hào)的分析要求具有極高的檢測(cè)速率，應(yīng)用電子學(xué)的方法難以實(shí)現(xiàn)，利用光的衍射現(xiàn)象的高速頻譜分析便可解決。
(4) 信息容量大。被測(cè)信號(hào)以光波為載體，而光的頻率極高，所容納的頻帶很寬，同一根光纖可以傳輸多路信號(hào)。
(5)適用于惡劣環(huán)境。光纖是一種電介質(zhì)，耐高壓、耐腐蝕、抗電磁干擾，可用于其它傳感器所不適應(yīng)的惡劣環(huán)境中。
此外，光纖傳感器還具有質(zhì)量輕、體積小、可繞曲、測(cè)量對(duì)象廣泛、復(fù)用性好、成本低等特點(diǎn)。光纖傳感器的應(yīng)用正是由于光纖傳感器擁有如此之多的優(yōu)點(diǎn)，使得其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，涉及石油化工、電力、醫(yī)學(xué)、土木工程等諸多領(lǐng)域。
[page] 光纖傳感器的應(yīng)用
1、光纖傳感器在石油化工系統(tǒng)的應(yīng)用在石油化工系統(tǒng)中，由于井下環(huán)境具有高溫、高壓、化學(xué)腐蝕以及電磁干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，使得常規(guī)傳感器難以在井下很好地發(fā)揮作用。然而光纖本身不帶電，體小質(zhì)輕，易彎曲，抗電磁干擾、抗輻射性能好。特別適合于易燃易爆、空間受嚴(yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用，因此光纖傳感器在油井參數(shù)測(cè)量中發(fā)揮著不可替代的作用，它將成為可應(yīng)用于油氣勘探及石油測(cè)井等領(lǐng)域的一項(xiàng)具有廣闊市場(chǎng)前景的新技術(shù)。光纖傳感器在油氣勘探中的應(yīng)用。
1.1光纖傳感器由于其抗高溫能力、多通絡(luò)、分布式的感應(yīng)能力，以及只需要較小的空間即可滿足其使用條件的特點(diǎn)，使得在勘探鉆井方面尤其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
應(yīng)用光纖傳感器可以制成井下分光計(jì)，分布式溫度傳感器及光纖壓力傳感器等適用于這種特殊作業(yè)要求的產(chǎn)品。
(1)井下分光計(jì)流體分析儀如圖1所示，可用于了解初期開發(fā)過程中的原油組成成分。它由兩個(gè)傳感器合成：一個(gè)是吸收光譜分光纖，另一個(gè)是熒光和氣體探測(cè)器。井下流體通過地層探針被引入出油管，光學(xué)傳感器用于分析出油管內(nèi)的流體。流體分析分光計(jì)則提供了原位井下流體分析，并對(duì)地層流體的評(píng)估加以改進(jìn)。
(2)分布式溫度傳感器光纖分布式溫度傳感器是井下應(yīng)用最為流行的光纖傳感器。應(yīng)用實(shí)例是監(jiān)測(cè)注水蒸氣重油開采系統(tǒng)。蒸汽被注入重油層用以降低油的黏度，使稠油能夠開采出來。井下蒸汽溫度可高達(dá)250℃ 以上。
圖1：流體分析儀構(gòu)造
(3)壓力傳感器側(cè)孔光纖式壓力傳感器目前正在研發(fā)中，其主要致力于超高溫和井下壓力監(jiān)測(cè)任務(wù)。目前基于光纖傳感器已經(jīng)出現(xiàn)其他商業(yè)產(chǎn)品，例如，用于多相流測(cè)量和分布式動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量的光纖探針。其高可靠性和高效低耗的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是光纖產(chǎn)品在油田應(yīng)用上取得成功的關(guān)鍵因素。
1.2 光纖傳感器在石油測(cè)井中的應(yīng)用石油測(cè)井是石油工業(yè)最基本和最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，壓力、溫度、流量等參量是油氣井下的重要物理量，通過先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)這些量進(jìn)行長(zhǎng)期的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)獲取油氣井下信息，對(duì)石油工業(yè)具有極為重要的意義。光纖傳感器對(duì)電磁干擾不敏感而且能承受極端條件，包括高溫、高壓以及強(qiáng)烈的沖擊與振動(dòng)，可以高精度地測(cè)量井筒和井場(chǎng)環(huán)境參數(shù)，同時(shí)，光纖傳感器具有分布式測(cè)量能力.可以測(cè)量被測(cè)量的空間分布，給出剖面信息。而且，光纖傳感器橫截面積小，外形短，在井筒中占據(jù)空間極小。而這些特性都是傳統(tǒng)的電子傳感器在井下的惡劣環(huán)境下所不具備的。
利用光纖傳感器可以進(jìn)行井下流量測(cè)量、溫度測(cè)量、壓力測(cè)量、含水(氣)測(cè)量、密度測(cè)量、聲波測(cè)量等。
(1) 流量測(cè)量。由于光的強(qiáng)度、相位、頻率、波長(zhǎng)等特性在光纖傳輸?shù)倪^程中會(huì)受到流量的調(diào)制，利用一定的光檢測(cè)方法把調(diào)制量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，就可以求出流體的流量，這就是光纖流量計(jì)的工作原理。
(2) 溫度及壓力測(cè)量。分布式光纖測(cè)量系統(tǒng)(DTS)利用光纖后向拉曼散射的溫度效應(yīng)，可以對(duì)光纖所在的溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，EFPI型(非本征型F-P干涉)、FBG型光纖傳感器為波長(zhǎng)編碼型傳感器，具有靈敏度高、可同時(shí)測(cè)量壓力、溫度、應(yīng)力等多個(gè)參量的特點(diǎn)。光纖熱色溫度傳感器是由白光源、多模光纖組成的反射式溫度傳感器；光纖輻射式溫度傳感器利用黑體輻射能量，其非接觸，可測(cè)瞬問溫度，響應(yīng)速度快，不需要熱平衡時(shí)間，可用于高溫測(cè)量；半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器利用其半導(dǎo)體材料的吸收邊波長(zhǎng)隨著溫度的增加而向較長(zhǎng)波長(zhǎng)位移的特性，選擇適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體發(fā)光二極管，使其光譜范圍正好落在吸收邊的區(qū)域，這樣透過半導(dǎo)體的光強(qiáng)就隨著溫度的增加而減少。
(3) 含水(氣)率及密度測(cè)量U型光纖的傳輸功率隨外界介質(zhì)折射率變化而變化，光波作為信息載體，與混合流體電阻率、流型及水質(zhì)無關(guān)，基于該原理的光纖持率/密度傳感器從本質(zhì)上解決了現(xiàn)有持率存在的高含水無分辨率和放射性物質(zhì)的應(yīng)用問題，對(duì)于多相流體油、水、氣的折射率各不相同，因而混合流體的折射率會(huì)隨著油、水、氣比例的改變而改變。因此這種折射率調(diào)制型光纖傳感器不僅能測(cè)流體持率，可同時(shí)測(cè)流體密度，其精度較高。
(4) 聲波測(cè)量。地震波在不同的介質(zhì)中傳播，接收到的地震波波形就會(huì)不同，根據(jù)不同的地震波形態(tài)，可識(shí)別地層沉積序列和沉積構(gòu)造，為儲(chǔ)層定位、判斷竄槽、檢測(cè)套管破損及斷裂、射孔層位及確定流體流量等。VSP地震測(cè)井，就是把檢波器放人井中，通過地面擊發(fā)的地震波或利用井中流體流動(dòng)等產(chǎn)生的微震動(dòng)，由井中的檢波器接收地震信號(hào)。永久井下光纖三分量地震測(cè)量具有高的靈敏度和方向性，能產(chǎn)生高精度的空間圖像，不僅能提供近井眼圖像，而且能提供井眼周圍地層圖像，測(cè)量范圍能達(dá)數(shù)千公里。它能經(jīng)受惡劣環(huán)境條件，且沒有可移動(dòng)部件和井下電子器件，能經(jīng)受強(qiáng)的沖擊和震動(dòng)，可安裝在復(fù)雜的完井管柱極小的空間光纖傳感器在電力系統(tǒng)的應(yīng)用。
電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布面廣，在高壓電力線和電力通信網(wǎng)絡(luò)上存在著各種各樣的隱患，因此，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各種線路、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。
1、在高壓電纜溫度和應(yīng)變測(cè)量中的應(yīng)用
目前，國(guó)外(主要是英國(guó)、日本等)已利用激光喇曼光譜效應(yīng)研制出分布式光纖溫度傳感器產(chǎn)品。而國(guó)內(nèi)也在積極地開展這方面的研究工作。國(guó)內(nèi)把分布式光纖溫度傳感技術(shù)引入電力系統(tǒng)電纜測(cè)溫的研究工作只是剛剛開始。聯(lián)系到我國(guó)南方地區(qū)去年所遭受到的雪災(zāi)來考慮，如果能在高壓電纜上并行地鋪設(shè)傳感光纜，對(duì)電力系統(tǒng)電纜、鐵塔等設(shè)施的溫度、壓力等參量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，就能夠做到及時(shí)排險(xiǎn)，從而盡可能減少經(jīng)濟(jì)損失。可見，光纖傳感器在電力系統(tǒng)將具有廣泛的應(yīng)用前景。在理想情況下，光纖應(yīng)被置于盡可能靠近電纜纜芯的位置，以更精確地測(cè)量電纜的實(shí)際溫度。對(duì)于直埋動(dòng)力電纜來說，表貼式光纖雖然不能準(zhǔn)確地反映電纜負(fù)載的變化，但是對(duì)電纜埋設(shè)處土壤熱阻率的變化比較敏感，而且能夠減少光纖的安裝成本。
2、在電功率傳感器中的應(yīng)用
電功率是反映電力系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)幕倦娏浚姽β蕼y(cè)量是電力計(jì)量的一項(xiàng)重要內(nèi)容。隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的電磁測(cè)量方法日益顯露出其固有的局限性，如電絕緣、電磁干擾、磁飽和等問題，因而人們一直在致力于尋找測(cè)量電功率的新方法。可以說光纖傳感器的出現(xiàn)給人們解決這一問題帶來了福音。光纖電功率傳感器的主要特點(diǎn)是：由于電功率傳感同時(shí)涉及電壓、電流2個(gè)電量，因而通常需要同時(shí)考慮電光、磁光效應(yīng)，同時(shí)利用2種傳感介質(zhì)或1種多功能介質(zhì)作為敏感元件，這使得光纖電功率傳感頭的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜；光纖電功率傳感器的光傳感信號(hào)中有時(shí)同時(shí)包含電壓、電流信號(hào)，因此其信號(hào)檢測(cè)與處理方法也將比較復(fù)雜。
3、在電力系統(tǒng)光纜監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用電力系統(tǒng)光纜種類繁多，加之我國(guó)地域廣闊，各地環(huán)境差異很大，所以光纜的環(huán)境也很復(fù)雜，其中溫度和應(yīng)力是影響光纜性能的主要環(huán)境因素。因此，在監(jiān)測(cè)光纖斷點(diǎn)的同時(shí)也對(duì)光纜所處溫度和應(yīng)力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可見對(duì)光纜的故障預(yù)警及維護(hù)意義深遠(yuǎn)。通過測(cè)量沿光纖長(zhǎng)度方向的布里淵散射光的頻移和強(qiáng)度，可得到光纖的溫度和應(yīng)變信息，且傳感距離較遠(yuǎn)，所以有深遠(yuǎn)的工程研究?jī)r(jià)值。基于布里淵光時(shí)域反射(BOTDR)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，采用相干檢測(cè)技術(shù)，系統(tǒng)原理如圖2所示。
圖2：基于BOTDR傳感系統(tǒng)原理
BOTDR光纖傳感系統(tǒng)測(cè)量的是光纖的自發(fā)布里淵散射信號(hào)，其信號(hào)強(qiáng)度非常微弱，但可以采用相干檢測(cè)技術(shù)提高系統(tǒng)信噪比。這種方案可單光源、單端工作，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，而且可同時(shí)監(jiān)測(cè)光纖斷點(diǎn)、損耗、溫度和應(yīng)變。
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傳光光纖傳感器在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用
在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用醫(yī)用光纖傳感器目前主要是傳光型的。以其小巧、絕緣、不受射頻和微波干擾、測(cè)量精度高及與生物體親合性好等優(yōu)點(diǎn)備受重視。本文將主要介紹傳光光纖在壓力測(cè)量、血流速度測(cè)量、pH值測(cè)量三個(gè)方面的應(yīng)用。此外，它還可以應(yīng)用于測(cè)量溫度和醫(yī)用圖像傳輸上面。
1、壓力測(cè)量。目前臨床上應(yīng)用的壓力傳感器主要用來測(cè)量血管內(nèi)的血壓、顱內(nèi)壓、心內(nèi)壓、膀胱和尿道壓力等。用來測(cè)量血壓的壓力傳感器示意見圖3。其中對(duì)壓力敏感的部分是在探針導(dǎo)管末端側(cè)壁上的一塊防水薄膜，一面帶有懸臂的微型反射鏡與薄膜相連，反射鏡對(duì)面是一束光纖，用來傳遞入射光到反射鏡，同時(shí)也將反射光傳送出來。當(dāng)薄膜上有壓力作用時(shí)。薄膜發(fā)生形變且能帶動(dòng)懸臂使反射鏡角度發(fā)生改變，從光纖傳來的光束照射到反光鏡上，再反射到光纖的端點(diǎn)。由于反射光的方向隨反射鏡角度的變化而改變，因此光纖接收到的反射光的強(qiáng)度也隨之變化。這一變化通過光纖傳到另一端的光電探測(cè)器變成電信號(hào)，這樣通過電壓的變化便可知探針處的壓力大小。
圖3：光纖體壓計(jì)探針
2、血流速度測(cè)量多普勒型光纖速度傳感器測(cè)量皮下組織血流速度的示意見圖4此裝置利用了光纖的端面反射現(xiàn)象，測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
圖4：光纖體壓計(jì)探針
發(fā)光頻率為f的激光經(jīng)透鏡，光纖被送到表皮組織。對(duì)于不動(dòng)的組織，例如血管壁，所反射的光不產(chǎn)生頻移；而對(duì)于皮層毛細(xì)血管里流速為 的紅細(xì)胞，反射光要產(chǎn)生頻移，其頻率變化為△f；發(fā)生頻移的反射光強(qiáng)度與紅細(xì)胞的濃度成比例，頻率的變化值可與紅細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)速度成正比。發(fā)射光經(jīng)光纖收集后，先在光檢測(cè)器上進(jìn)行混頻，然后進(jìn)人信號(hào)處理儀，從而得到紅細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)速度和濃度。
3、pH值測(cè)量
用來測(cè)定活體組織和血液值pH光纖光譜傳感器示意圖，如圖5所示。其工作原理是利用發(fā)射光、透射光的強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的分布光譜來進(jìn)行測(cè)量。這種傳感器將兩根光纖插入可透過離子的纖維素膜盒中.膜盒內(nèi)裝有試劑，當(dāng)把針頭插入組織或血管后，體液滲入試劑，導(dǎo)致試劑吸收某種波長(zhǎng)的光。用光譜分析儀測(cè)出此種變化，即可求得血液或組織的pH值。
圖5：測(cè)定pH值的光纖光譜儀
