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光纖傳感技術
(科學技術)
鎖定
- 中文名
- 光纖傳感技術
- 外文名
- Optical Fiber Sensing Technology
- 技術簡介
- 工作頻帶寬,動態範圍大
- 應用分類
- 光強度調製 光波長調製 光相位調製 偏振態調製
- 存在問題
- 環境振動等干擾也同樣敏感
光纖傳感技術技術介紹
光纖工作頻帶寬,動態範圍大,適合於遙測遙控,是一種優良的低損耗傳輸線;在一定條件下,光纖特別容易接受被測量或場的加載,是一種優良的敏感元件;光纖本身不帶電,體積小,質量輕,易彎曲,抗電磁干擾,抗輻射性能好,特別適合於易燃、易爆、空間受嚴格限制及強電磁干擾等惡劣環境下使用。因此,光纖傳感技術一問世就受到極大重視,幾乎在各個領域得到研究與應用,成為傳感技術的先導,推動着傳感技術蓬勃發展。
光纖傳感,包含對外界信號(被測量)的感知和傳輸兩種功能。所謂感知(或敏感),是指外界信號按照其變化規律使光纖中傳輸的光波的物理特徵參量,如強度(功率)、波長、頻率、相位和偏振態等發生變化,測量光參量的變化即“感知”外界信號的變化。這種“感知”實質上是外界信號對光纖中傳播的光波實時調製。所謂傳輸,是指光纖將受到外界信號調製的光波傳輸到光探測器進行檢測,將外界信號從光波中提取出來並按需要進行數據處理,也就是解調。因此,光纖傳感技術包括調製與解調兩方面的技術,即外界信號(被測量)如何調製光纖中的光波參量的調製技術(或加載技術)及如何從被調製的光波中提取外界信號(被測量)的解調技術(或檢測技術)。
外界信號對傳感光纖中光波參量進行調製的部位稱為調製區。根據調製區與光纖的關係,可將調製分為兩大類。一類為功能型調製,調製區位於光纖內,外界信號通過直接改變光纖的某些傳輸特徵參量對光波實施調製。這類光纖傳感器稱為功能型(FunctionalFiber,簡稱FF型)或本徵型光纖傳感器,也成為內調製型傳感器,光纖同具“傳”和“感”兩種功能。於光源耦合的發射光纖同於光探測器耦合的接收光纖為一根連續光纖,稱為傳感光纖,故功能型光纖傳感器亦稱全光纖型或傳感型光纖傳感器。另一類為非功能型調製,調製區在光纖之外,外界信號通過外加調製裝置對進入光纖中的光波實施調製,這類光纖傳感器稱為非功能型(NonFunctionalFiber,簡稱NFF)或非本徵型光纖傳感器,發射光纖與接收光纖僅起傳輸光波的作用,稱為傳光光纖,不具有連續性,故非功能型光纖傳感器也稱傳光型光纖傳感器或外調制光纖傳感器。
光纖傳感技術技術應用分類
光纖傳感技術光強度調製型
光強調製是光纖傳感技術中相對比較簡單,用得最廣泛的一種調製方法。其基本原理是利用外界信號(被測量)的擾動改變光纖中光(寬譜光或特定波長的光)的強度(即調製),再通過測量輸出光強的變化(解調)實現對外界信號的測量。
光纖傳感技術相位調製型
光相位調製,是指外界信號(被測量)按照一定的規律使光纖中傳播的光波相位發生響應的變化,光相位的變化量即反映被測外界量。
光纖傳感技術中使用的光相位調製大體有三種類型。一類為功能型調製,外界信號通過光纖的力應變效應、熱應變效應、彈光效應及熱光效應使傳感光纖的幾何尺寸和折射率等參數發生變化,從而導致光纖中的光相位變化,以實現對光相位的調製。第二類為薩格奈克效應調製,外界信號(旋轉)不改變光纖本身的參數,而是通過旋轉慣性場中的環形光纖,使其中相向傳播的兩光束產生相應的光程差,以實現對光相位的調製。第三類為非功能型調製,即在傳感光纖之外通過改變進入光纖的光波程差實現對光纖中光相位的調製。
光纖傳感技術偏振調製型
光纖傳感技術波長調製型
外界信號(被測量)通過選頻、濾波等方式改變光纖中傳輸光的波長,測量波長變化即可檢測到被測量,這類調製方式稱為光波長調製。
目前用於光波長調製的方法主要是光學選頻和濾波。傳統的光波長調製方法主要有F-P干涉式濾光、里奧特偏振雙折射濾光及各種位移式光譜選擇等外調制技術。近20多年來,尤其近幾年迅速發展起來的光纖光柵濾光技術為功能型光波長調製技術開闢了新的前景。
光纖傳感技術頻率調製型
光纖傳感技術存在問題
光纖干涉型傳感器由於靈敏度高、體積小等優點,受到很大關注。但是干涉型傳感器對被測物理量的變化敏感的同時也對温度漂移、環境振動等干擾也同樣敏感。目前用於光相位解調的干涉方法很多,主要有雙光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法、環形干涉法等。
光纖傳感技術傳感器的分類
傳感型光纖傳感器的光纖不僅起傳遞光作用,同時又是光電敏感元件。由於外界環境對光纖自身的影響,待測量的物理量通過光纖作用於傳感器上,使光波導的屬性(光強、相位、偏振態、波長等)被調製。傳感器型光纖傳感器又分為光強調製型、相位調製型、振態調製型和波長調製型等。
傳光型光纖傳感器是將經過被測對象所調製的光信號輸入光纖後,通過在輸出端進行光信號處理而進行測量的,這類傳感器帶有另外的感光元件對待測物理量敏感,光纖僅作為傳光元件,必須附加能夠對光纖所傳遞的光進行調製的敏感元件才能組成傳感元件。光纖傳感器根據其測量範圍還可分為點式光纖傳感器、積分式光纖傳感器、分佈式光纖傳感器三種。其中,分佈式光纖傳感器被用來檢測大型結構的應變分佈,可以快速無損測量結構的位移、內部或表面應力等重要參數。目前用於土木工程中的光纖傳感器類型主要有Math-Zender干涉型光纖傳感器,Fabry-pero腔式光纖傳感器,光纖布喇格光柵傳感器等。
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光纖傳感技術傳感器的特點
⑵光纖具有很好的柔性和韌性,所以傳感器可以根據現場檢測需要做成不同的形狀。
⑶測量的頻帶寬、動態響應範圍大。
⑷可移植性強,可以製成不同的物理量的傳感器,包括聲場、磁場、壓力、温度、加速度、位移、液位、流量、電流、輻射等。
光纖傳感技術應用
光纖傳感技術在結構工程檢測中的應用
鋼筋混凝土是目前非常廣泛應用的材料,將光纖材料直接埋入混凝土結構內或粘貼在表面,是光纖的主要應用形式,可以檢測熱應力和固化、撓度、彎曲以及應力和應變等。混凝土在凝固時由於水化作用會在內部產生一個温度梯度,如果其冷卻過程不均勻。熱應力會使結構產生裂縫,採用光纖傳感器埋入混凝土可以監測其內部温度變化,從而控制冷卻速度。
混凝土構件的長期撓度和彎曲是人們感興趣的一個力學問題,為此已研製出能測量結構彎曲和撓度的微彎應變光纖傳感器,並用一根光纖連接整個結構不同位置上的傳感器進行同時監測,每個傳感器的位置可用OTDR來識別。光纖傳感器還能探測混凝土結構內部損傷。在正常荷載作用下,由於鋼筋阻止幹化收縮或温度引起的體積變化都會引起裂縫,裂縫的出現和發展可以通過埋入的光纖中光傳播的強度變化而測得。
光纖傳感技術在橋樑檢測中的應用
橋樑是一個國家的經濟命脈,橋樑的建造和維護是一個國家基礎設施建設的重要部分。利用光纖傳感器測量振動,主要可得到橋樑的振動響應參數如頻率、振幅等,其方法是:將信號光纖粘貼於橋樑內部,它隨着橋樑的振動而產生振動響應, 輸出光的相位作週期性的變化,則光電探測器接收到的光強也作週期性的變化。
成功的案例有:加拿大在1993年將光纖傳感器預裝到一座碳纖維預應力混凝土公路橋上,在橋開通後連續監測了8個月,測量了混凝土內部的整體分佈應變,並用動態規化理論處理數據,準確而又快速的評估了橋樑的使用狀態及壽命。1996年,美國海軍實驗研究中心研製了新墨西哥州I -10橋健康檢測系統,它由60個FBG傳感器組成,可實現動態與靜態應變測量。
光纖傳感技術在岩土力學與工程中的應用
岩土工程檢測具有長時效性、環境複雜、具有時空限制、施工環境制約等特點,其檢測工作一直是等待解決的難題。目前已有的常規的測試技術在長期的工程應用中表明,滿足上述測試要求十分困難。而由於光纖傳感器體積小、質量輕、不導電、反應快、抗腐蝕等諸多優良特性,使用它成為岩土力學工程的檢測工具成為學者們的研究對象。下面列舉一例成功應用光纖傳感器檢測岩土工程的成功案例:
三峽大壩壩前水温監測
三峽大壩壩體內部靠近上游面埋設有點式温度計,因埋設點位於壩體內,所測温度與實際庫水温度存在一定的差異。為了能更真實地反映庫水温度的變化規律,長江科學院結合壩前水温觀測的實際現狀,在左廠14-2壩段佈設1條測温垂線,採取光纖Bargg光柵温度傳感器進行監測,通過實際工程應用,光纖Bargg光柵温度傳感器測量水温,可以滿足水温監測的要求,且與水銀温度計直接測量水温相比,結果較好。
長江三峽庫區滑坡界面多元監測
南京大學利用弱反射光纖光柵(WFBG)技術,構建了滑坡地下多元信息的光纖神經感測系統,開展了特大型庫區滑坡的熱-水-力動力學研究。通過現場長期實時監測,成功捕獲了藕塘滑坡地下關鍵界面及其鄰接層的温度、水分和應變信息,重構了高時空分辨率的多物理剖面,在此基礎上闡明瞭滑坡深部的變形演化特徵和温度-滲流-變形多元耦合機理,為精準掌握三峽庫區特大型滑坡的災變機制及其驅動因素提供了重要的技術手段和理論支撐。
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光纖傳感技術在軍事上的應用
光纖傳感技術在軍事上同樣應用廣泛。光纖陀螺儀經過30多年的發展,已經廣泛應用與民航機,無人機,導彈的定位和控制中。光纖水聽器可以用於船舶軍艦收集聲音,探測越來越先進的潛艇。且近幾年來,基於光纖傳感技術的光纖網絡安全警戒系統開始在邊防及重點區域防衞中得到推廣應用。目前,世界上發達國家使用的安全防衞系統就是基於分佈式光纖傳感網絡系統的安全防衞技術。
民用基礎建設:橋樑、大壩、道路、隧道、滑坡;
交通運輸:鐵路監控、運動中的重量、運輸安全;
光纖傳感技術研究進展
光纖光柵傳感器是目前國內研究的熱點之一。FBG傳感器具有靈敏度高,易構成分佈式結構,在一根光纖內可實現多點測量。滿足“智能結構”對傳感器的要求,可對大型構件進行實時安全監測;也可以代替其他類型結構的光纖傳感器,用於化學、壓力和加速度傳感中。但是温度、應力交叉敏感是其實用化的最大限制。
陣列複用傳感系統
分佈式光纖傳感系統是根據沿線光波分佈參量,同時獲取在傳感光纖區域內隨時間和空間變化的被測量的分佈信息,可以實現長距離、大範圍的連續、長期傳感。
智能化光纖傳感系統
目前光纖傳感的智能化主要體現在光纖傳感與通信技術及計算機技術的融合,實現各種功能的智能化,實現信號獲取、存儲、傳輸、處理於一體。智能化光纖傳感系統在許多新型應用領域受到廣泛關注,如智能材料、環境感知、聲發射檢測、石油測井等。基於光纖傳感的智能材料可以實現對周圍環境變化的自判斷性、自適應性、自診斷性、自修復性等諸多性能,在汽車工業、航空航天、醫療、安防、體育及土木工程等領域有着廣泛的應用。
- 參考資料
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- 1. 基於光纖傳感技術的結構檢測技術 .電纜網[引用日期2013-05-02]
- 2. 光纖傳感現狀及展望 .電纜網[引用日期2013-05-02]
- 3. 我院朱鴻鵠教授課題組在庫區滑坡關鍵界面多元表徵與災變機理方面取得重要進展 .南京大學地球科學與工程學院.2022-06-14[引用日期2022-11-13]