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光纤传感器的发展趋势及应用

* 来源: * 作者: admin * 发表时间: 2020-10-15 10:14:33 * 浏览: 42
基本工作原理及应用领域
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器,使待测参数与进入调制区的光相互作用后,导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化,称为被调制的信号光,在经过光纤送入光探测器,经解调后,获得被测参数。
光纤传感器的应用于对磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。光纤传感器的应用范围很广,几乎涉及国民经济和国防上所有重要领域和人们的日常生活,尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用,解决了许多行业多年来一直存在的技术难题,具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面的应用:
● 城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中,用于测试应力松驰、施工应力和动荷载应力,从而评估桥梁短期施工阶段和长期营运状态的结构性能。
● 在电力系统,需要测定温度、电流等参数,如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等,由于电类传感器易受电磁场的干扰,无法在这类场合中使用,只能用光纤传感器。分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术,分布式光纤温度传感系统不仅具有普遍光纤传感器的优点,还具有对光纤沿线各点的温度的分布传感能力,利用这种特点我们可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点温度,定位精度可达米的量级,测量精度可达1度的水平,非常适用大范围交点测温的应用场合。
光纤传感器的分类
光纤传感器可分两大类:一类是功能型(传感型)传感器;另一类是非功能性(传光型)传感器。
功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,被测量对光纤内传输的光进行调制,使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化,现通过被调制走的传导进行解调,从而得出被测信号。
光纤在其中不仅是导光媒质,而且也是敏感元件,光在光纤内被测量调制,多采用多模光纤。
优点:结构紧凑,灵敏度度。缺点:须用特殊光纤,成本高。典型例子:光纤陀螺、光纤水听器等。
非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为信息的传输介质,常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用,光照在光纤型敏感元件上被测量调制。
优点:无需特殊光纤及其他特殊技术,比较容易实现,成本低。缺点:灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器
目前光纤传感器已经有70多种,光纤声传感器是一种利用光纤自身的传感器。当光纤受到一点很微小的外力作用时,就会产生微弯曲,而其传光能力发生很大的变化。声音是一种机械波,它对光纤的作用就是使光纤受力并产生弯曲,通过弯曲就能够得到声音的强弱。光纤陀螺也是光纤自身传感器的一种。与激光陀螺相比,光纤陀螺灵敏度高,体积小,成本低,可以用于飞机、舰船、导弹等的高性能惯性民航系统。
荧光光纤传感器
与化学传感器不同,光纤生物传感器主要是利用荧光免疫竞争原理实现对分析物的检测。Shriver-Lake等人发展了一种适合于多目标检测的荧光光纤传感器,采用免疫竞争方法可同时检测TNT和RDX(三次甲基三硝基胺)两种爆炸物。他们将抗体固定在光纤表面,荧光标记抗原与自由抗原在光纤表面进行免疫竞争,通过检测荧光强度的变化,可定量检测爆炸物的体积分数。需要指出的是,虽然荧光光纤生物传感器具有灵敏度高、选择性好等优点,但使用稳定性差是其难以克服的缺陷。
随着新的荧光敏感材料的出现,爆炸物的荧光检测方法也在不断发展。Swager小组利用微纳米颗粒材料比表面大的特点,利用层层组装技术将共轭荧光高分子固定于微球表面,制成了可对硝基芳烃类炸药实现灵敏检测的功能荧光微球材料,并形象地称其为“智能砂子”。针对共轭荧光高分子薄膜荧光传感器的局限性,提出了以固定化多环芳烃的超分子行为为基础的传感薄膜材料设计新思想,制备了十余种新型传感薄膜材料,已实现了对有机二酸等的选择性检测。实验发现,在这些薄膜中,芘功能化薄膜对空气中硝基芳烃类化合物的存在十分敏感,其灵敏度可与共轭荧光高分子薄膜相媲美,展现出很好的应用开发前景。可以预期,薄膜荧光传感器所具有的巨大优势必将使其在硝基芳烃类炸药的超灵敏快速检测方面获得际应用。