光纖傳感器原理是什么

　　引言：光纖傳感器用盡做為比較敏感信息的傳遞，用光纖做為傳送比較敏感數據的媒質，具備光纖及電子光學測量的特性，有一系列與眾不同的優勢。絕緣特性好，抗電磁干擾能力強，非入侵性，高靈敏，非常容易完成對被測信息的長距離監管，抗腐蝕，防爆型，環路有可拉伸應變性，有利于與電子計算機連接。

　　【光纖傳感器】光纖傳感器基本原理是啥 光纖傳感器特性以及運用

　　近些年，傳感器在向著靈巧、精準、適應能力強、精巧和智能化系統的角度發展趨勢。在這里一環節中，光纖傳感器這一傳感器大家族的新組員倍受青睞。光纖具備許多出色的特性，例如：抗電磁輻射和分子輻射源的特性，徑細、質軟、重量較輕的物理性能;絕緣層、無磁感應的電力特性;耐潮、耐熱、抗腐蝕的有機化學特性等，它可以在人達不了的地區(如高溫)，或是對人會有毒的地域(如輻射區)，具有人的特情的功效，并且還能超過人的生理學界線，接受人的感覺所體會不了的外部信息內容。

　　光纖傳感器基本上組成及基本原理

　　光纖傳感器由燈源、出射光纖、出射光纖、光解調器、光探測儀及其解解調器構成。其原理是將燈源的光經出射光纖送出去調配區，光在調制區域內與外部被測主要參數相互影響，使光的光電特性(如抗壓強度、光波長、頻率、相位差、偏正態等)產生變化而變成被調配的數據信號光，再經過出射光纖送進光探測儀、調制解調器而得到被測主要參數。

　　光纖傳感器按傳感器基本原理可分成兩大類：一類是傳光型(非功能性)傳感器，另一類是傳感器型(功能性)傳感器。在傳光型光纖傳感器中，光纖僅做為光的傳送媒質，對被測信息的感覺是靠其他光敏電阻器來進行的，這類傳感器抽出射光纖和出射光纖不是持續的，彼此之間的解調器是光譜儀轉變的光敏電阻器或其他特性的光敏電阻器。在傳感器型光纖傳感器中光纖兼具對被測信息的比較敏感及光信號的傳送功效，將數據信號的“感”和“傳”合而為一，因而這類傳感器中光纖是持續的。

　　因為這二種傳感器中光纖起著的功效不一樣，對光纖的需求也不一樣。在傳光型傳感器中光纖只起傳光的功效，選用通訊光纖乃至一般的多模光纖光纖就能符合要求，而光敏電阻器可以很靈便地采用優良的材質來完成，因而這類傳感器的敏感度可以做得很高，但必須較多的光耦合器件，構造較繁雜;傳感器型光纖傳感器的構造相對而言非常簡單，可以少用一些耦合器件，但對光纖的需求較高，通常需選用對被測數據信號比較敏感、傳送特點又好的獨特光纖。到現在為止，具體中大部分選用前面一種，但伴隨著光纖生產制造工藝技術的改善，傳感器型光纖傳感器也終將獲得普遍的運用。

　　按光在光纖中被調配的機理不一樣，光纖傳感器可分成：抗壓強度調配型、相位差調配型、光的偏振態調配型、頻率調配型、光波長調配型等。迄令才行，光纖傳感器可以測量的參量已達七十多種。

　　光纖傳感器特性

　　與傳統的的傳感器對比，光纖傳感器具備與眾不同的優勢：

　　(1)敏感度高

　　因為僅是一種光波長非常短的無線電波，根據光的相位差便獲得其電子光學長短。以光纖干涉儀為例子，因為所采用的光纖直徑不大，遭受細微的機械設備外力的作用或溫度轉變時其電子光學長短要產生變化，進而造成很大的相位差轉變。假定用1 0米的光纖，l℃的變動造成1000ard的相位差轉變，若可以檢驗出的最少相位差轉變為0.01ard，那麼能夠測到的最少溫度轉變為l 0℃，由此可見其敏感度之高。

　　(2)抗干擾信號、絕緣、抗腐蝕、安全體系

　　因為光纖傳感器是利用電磁波傳送信息內容，而光纖又是絕緣、抗腐蝕的傳送媒質，而且可以信賴，這使它可以便捷高效地適用于各種各樣大中型機電工程、石油化工設備、煤礦等強干擾信號和易燃易爆物品等極端條件中。

　　(3)測量速度更快

　　光的傳播速度更快且傳送二維信息內容，因而可用以快速測量。對雷達探測等數據信號

　　的剖析規定具備較高的檢驗速度，運用微電子學的方式難以解決，利用光的衍射狀況的快速頻譜分析便可處理。

　　(4)信息內容容積大

　　被測數據信號以電磁波為媒介，而光的頻率極高，所容下的頻段很寬，同一根光纖可以傳送多通道數據信號。

　　(5)適用極端自然環境

　　光纖是一種電解介質，耐髙壓、抗腐蝕、抗干擾信號，可用以其他傳感器所不適合的嚴酷條件中。

　　除此之外，光纖傳感器還具備品質輕、體型小、可以環繞曲、測量目標普遍、重復使用性好、低成本等特性。

　　光纖傳感器的運用

　　恰好是因為光纖傳感器有著如此之多的優勢，促使其主要用途十分普遍，涉及到石油化工設備、電力工程、醫藥學、建筑專業等眾多行業。

　　1.光纖傳感器在石油化工設備系統軟件的運用

　　在石油化工設備系統軟件中，因為礦井自然環境具備高溫、髙壓、化學腐蝕及其干擾信號強等特性，促使基本傳感器無法在礦井非常好地充分發揮。殊不知光纖自身不通電，體小輕質，易彎折，抗干擾信號、防輻射特性好。尤其合適于易燃易爆物品、室內空間受嚴苛限定及強干擾信號等極端條件下應用，因而光纖傳感器在天然氣井主要參數測量中激發著不可替代的功效，它將變成可使用于燃氣勘查及原油測井等方面的一項具備寬闊行業前景的新技術應用。

　　1.1光纖傳感器在燃氣勘查中的運用

　　光纖傳感器因為其抗高溫工作能力、多活脈、分布式系統的磁感應工作能力，及其只必須較小的室內空間就可以達到其應用標準的特性，促使在勘查鉆探層面特別是在特有的優點。

　　運用光纖傳感器可以做成礦井分光計，分布式系統溫度傳感器及光纖工作壓力傳感器等適用這類特殊作業規定的商品。

　　(1)礦井分光計

　　液體分析儀器如下圖1所顯示，可用以掌握前期開發設計流程中的石油構成成份。它由2個傳感器生成：一個是光譜圖分光纖，另一個是瑩光和可燃氣體檢測。礦井液體根據地質構造探頭被引進出輸油管，電子光學傳感器用以剖析出輸油管內的液體。流體剖析分光計則給予了原點礦井液體剖析，并對地質構造液體的評定加以改進。

　　(2)分布式系統溫度傳感器

　　光纖分布式溫度傳感器是礦井運用更為盛行的光纖傳感器。運用案例是檢測注水蒸汽燃料油采掘系統軟件。蒸氣被引入重白邊填充液用于減少油的粘度，使稠油可以采掘出去。礦井蒸氣溫度可達到250℃以上。

　　液體分析儀器結構

　　圖1液體分析儀器結構

　　(3)工作壓力傳感器

　　側孔光纖式壓力傳感器現階段已經產品研發中，其關鍵專注于高溫高壓和礦井工作壓力檢測每日任務。

　　現階段根據光纖傳感器早已發生別的商業服務商品，例如，用以多組分流測量和分布式系統動態性應變力測量的光纖探頭。其可靠性高和高效率低消耗的工藝優點是光纖商品在油氣田運用上取得成功的主要因素。

　　1.2光纖傳感器在原油測井中的運用

　　原油測井是石化工業最基本上和最重要的過程之一，工作壓力、溫度、總流量等參數是油氣井下的關鍵參量，根據專業的技術對這種量開展長時間的實時監測，立即獲得油氣井下信息內容，對石化工業具備極其重要的實際意義。

　　光纖傳感器對干擾信號不比較敏感并且能承擔極端化標準，包含高溫、髙壓及其明顯的影響與震動，可以高精地測量井室和井場環境監控系統，與此同時，光纖傳感器具備分布式系統測量工作能力.可以測量被測量的空間布局，得出截面信息內容。并且，光纖傳感器橫截面積小，外觀設計短，在井室中占有室內空間很小。而這種特點全是傳統式的電子器件傳感器在礦井的嚴酷自然環境下所不具有的。

　　利用光纖傳感器可以開展礦井總流量測量、溫度測量、工作壓力測量、含水量(氣)測量、相對密度測量、聲波頻率測量等。

　　(1)總流量測量

　　因為光的強度、相位差、頻率、光波長等特點在光纖傳送的歷程中會遭受總流量的調配，利用一定的光檢驗方式把調配量轉化成電子信號，就可以求出液體的總流量，這就是光纖蒸汽流量計的原理。

　　(2)溫度及工作壓力測量

　　分布式系統光纖測量系統軟件(DTS)利用光纖后向拉曼散射的溫度效用，可以對光纖所屬的溫度場開展實時監測，EFPI型(非本征型F-P干預)、FBG型光纖傳感器為光波長編號型傳感器，具備精確度高、可與此同時測量工作壓力、溫度、內應力等好幾個參數的特性。

　　光纖熱色溫度傳感器是由白燈源、多模光纖光纖構成的雙光束溫度傳感器;光纖輻射型溫度傳感器利用黑體輻射動能，其非觸碰，能測瞬問溫度，響應時間快，不用熱力循環時間，可適用于高溫測量;半導體材料吸收式熱泵光纖溫度傳感器利用其半導體器件的消化吸收邊光波長伴隨著溫度的提高而向很長光波長偏移的特點，挑選合理的半導體材料發光二極管，使其光譜儀范疇恰好落在消化吸收邊的地區，那樣通過半導體材料的光照強度就伴隨著溫度的提高而降低。

　　(3)含水量(氣)度及相對密度測量

　　U型光纖的傳遞輸出功率隨外部物質折光率轉變而變化，電磁波做為數據媒介，與混和液體電阻、流形及水體不相干，根據該基本原理的光纖持率/相對密度傳感器從其本質上解決了目前持率存有的高含水無屏幕分辨率和放射性的運用問題，針對多組分液體油、水、氣的折光率不盡相同，因此混和液體的折光率會伴隨著油、水、氣占比的變化而更改。因而這類折光率調配型光纖傳感器不但可測液體持率，可與此同時測流體密度，其準確度較高。

　　(4)聲波頻率測量

　　地震數據在不一樣的物質中散播，接受到的地震數據波型便會不一樣，依據不一樣的地震數據形狀，可鑒別地質構造堆積編碼序列和堆積結構，為儲集層精準定位、分辨竄槽、檢驗防水套管損壞及破裂、射孔層系及明確液體總流量等。VSP大地震測井，便是把檢波器放人井中，根據路面擊發的地震數據或利用井中液體流動性等造成的微振動，由井中的檢波器接受大地震數據信號。永久性礦井光纖三份量大地震測量具備高的精確度和專一性，能造成高精密的室內空間圖象，不但能給予近井孔圖象，并且能給予井孔周邊地質構造圖象，測量范疇能達數千公里。它能承受極端自然環境標準，且沒有可運動構件和礦井電子元器件，能承受強的撞擊和振動，可安裝在錯綜復雜的完井管柱很小的室內空間

　　光纖傳感器在供電系統的運用

　　供電系統網絡架構繁雜、遍布范圍廣，在髙壓電纜線和通信網絡互聯網上普遍存在著各式各樣的安全隱患，因而，系統對內各種各樣路線、互聯網開展分布式系統檢測看起來至關重要。

　　1.在高壓電纜線溫度和應變力測量中的運用

　　現階段，海外(主要是法國、 日本 等)已利用激光器喇曼光譜效用研發出分布式系統光纖溫度傳感器商品。而中國也在積極地進行這方面的探討工作中。中國把分布式系統光纖溫度傳感器技術引進供電系統電纜線溫度測量的探討工作中僅僅剛開始。

　　聯絡到在我國沿海地區上年所遭遇到的極端天氣來考慮到，假如能在高壓電纜線上并行處理地鋪裝傳感器光纜電纜，對供電系統電纜線、塔桿等基礎設施的溫度、工作壓力等參數開展即時測量，就可以保證立即排險，進而盡量減少財產損失。由此可見，光纖傳感器在供電系統將具備普遍的應用前景。

　　在理想化狀況下，光纖應被放置盡量挨近電纜線纜芯的部位，以更準確地測量電纜線的具體溫度。針對直埋動力電纜而言，表貼式光纖盡管不可以確切地體現電纜線負荷的轉變，可是對電纜線鋪設處土壤層傳熱系數率的改變特別敏感，并且可以降低光纖的安裝成本費。

　　2.在額定功率傳感器中的運用

　　額定功率是體現供電系統中熱傳遞與傳遞的基本上用電量，額定功率測量是電力工程計量檢定的一項主要內容。伴隨著機械工業的快速發展趨勢，傳統式的電磁感應測量方式日益顯露出來其具有的局限，如絕緣、干擾信號、磁飽和狀態等問題，因此大家一直在專注于找尋測量額定功率的新方式。可以說光纖傳感器的發生給大家處理這一問題產生了福利。

　　光纖額定功率傳感器的主要特點是：因為額定功率傳感器與此同時涉及到工作電壓、電流量2個用電量，因此通常要一起考慮到光電、磁光效應，與此同時利用2種傳感器物質或1種多用途物質做為光敏電阻器，這促使光纖額定功率傳感器頭的構造比較繁雜;光纖額定功率傳感器的光傳感器數據信號中有時候與此同時包括工作電壓、電流量數據信號，因而其信號檢測與解決辦法也將比較復雜。

　　3.在供電系統光纜電纜檢測中的運用

　　供電系統光纜電纜品種繁多，加上在我國地區寬闊，全國各地自然環境差別非常大，因此光纜電纜的條件也很繁雜，在其中溫度和內應力是危害光纜電纜特性的關鍵環境要素。因而，在檢測光纖中斷點的并且也對光纜電纜所處溫度和內應力狀況開展檢測，由此可見對光纜電纜的常見故障預警信息及維護保養實際意義長遠。

　　根據測量沿光纖長短方位的布里淵散射光的頻移和抗壓強度，可獲得光纖的溫度和應變力信息內容，且傳感器間距較遠，因此有長遠的工程項目科學研究使用價值。

　　根據布里淵光頻域反射(BOTDR)的分布式系統光纖傳感器系統軟件，選用相關無損檢測技術，系統軟件基本原理如下圖1所顯示。

　　根據BOTDR傳感器系統軟件基本原理

　　圖1根據BOTDR傳感器系統軟件基本原理

　　BOTDR光纖傳感器系統軟件測量的是光纖的自發性布里淵散射數據信號，其網絡信號十分薄弱，但可以選用相關無損檢測技術提升系統頻率穩定度。這類計劃方案能單燈源、單端工作中，系統軟件簡易，完成便捷，并且可另外檢測光纖中斷點、耗損、溫度和應變力。

　　傳光光纖感應器在醫藥學層面的運用

　　在臨床醫學中的運用醫療器材光纖感應器現階段主要是傳光型的。以其精巧、絕緣層、不會受到微波射頻和微波加熱影響、測量高精度及與生物親合性好等優勢深受高度重視。文中將關鍵詳細介紹傳光光纖在工作壓力測量、血液速率測量、pH值測量三個領域的運用。除此之外，它還能夠運用于測量溫度和醫療器材圖象傳送上邊。

　　1.工作壓力測量

　　現階段醫學上運用的液位傳感器關鍵用于測量毛細血管內的血壓值、顱壓、心內科壓、膀光和尿道口工作壓力等。用于測量血壓值的液位傳感器提示見圖1。在其中對工作壓力比較敏感的部位是在探針軟管尾端外壁上的一塊防潮塑料薄膜，一面含有懸壁的小型反射鏡與塑料薄膜相接，反射鏡正對面是一束光纖，用于傳送入射角到反射鏡，與此同時也將反射光傳輸出去。當塑料薄膜上面有工作壓力功效時。塑料薄膜產生變形且能推動懸壁使反射鏡視角發生改變，從光纖傳出的光線照射后視鏡上，再反射到光纖的節點。因為反射光的方位隨反射鏡視角的變動而更改，因而光纖接受到的反射光的強度也隨著轉變。這一變化根據光纖傳入另一端的光電探測器變為電子信號，那樣根據工作電壓的改變便得知探針處的工作壓力尺寸。

　　圖1光纖體壓計探針

　　2.血液速率測量

　　多譜勒型光纖轉速傳感器測量肌膚組織血液的速度的提示見圖2此設備運用了光纖的內孔反射狀況，測量體系結構簡易。

　　光纖體壓計探針

　　圖2光纖體壓計探針

　　發亮頻率為f的激光器經雙光透鏡，光纖被送至外皮機構。針對沒動的機構，例如血管壁，所反射的光不造成頻移;而針對表皮層毛細管里流動速度為的血細胞，反射光要造成頻移，其頻率改變為△f;產生頻移的反射光抗壓強度與血細胞的含量成占比，頻率的轉變值可與血細胞的健身運動速率正相關。發送光經光纖搜集后，先在光探測器上開展混頻，隨后進入信號分析儀，進而獲得血細胞的健身運動的速度和濃度值。

　　3.pH值測量

　　用于測量活物機構和血夜值pH光纖光譜儀感應器平面圖，如下圖3所顯示。其基本工作原理是運用發送光、電子散射光的強度隨光波長的遍布光譜儀來開展測量。這類感應器將二根光纖插進可通過正離子的纖維膜盒中.膜盒內配有實驗試劑，當把針管插進機構或毛細血管后，血液滲透到實驗試劑，造成實驗試劑消化吸收某類光波長的光.用光譜分析儀測到此類轉變，就可以求取血夜或機構的pH值。

　　測量pH值的光纖光譜儀

　　圖3測定pH值的光纖光譜儀