光纤传感器的发展趋势及应用
发布时间：2011-3-13 10:06
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近年来，传感器朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区或者对人有害的地区，如核辐射区），起到人的耳目作用，而且还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。 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。 分布式光纤监测技术 20世纪70年代，光纤监测技术伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来。与传统的监测技术相比，光纤监测技术有一系列独特的优点： ● 光纤传感器以光信号作为载体，光纤为媒质，光纤的纤芯材料为二氧化硅，因此，该传感器具有耐腐蚀、抗电磁干扰、防雷击等特点，属本质安全。 ● 光纤本身轻细纤柔，光纤传感器的体积小、重量轻，不仅限于布设安装，而且对埋调部位的材料性能和力学参数影响甚小，能实现无损埋设。 ● 灵敏度高，可靠性好，使用寿命长。分布式光纤监测技术除了具有以上的特点外，还具有以下两个显著的优点：可以准确地测出光纤沿线任一点的监测量，信息量大，成果直观；光纤既作为传感器，又作为传输介质，结构简单，不仅方便施工，潜在故障大大低于传统技术，可维护性强，而且性能价格比好。 分布式光纤经久耐用，安全可靠，由它构成的网络可以遍布坝体，这些光纤网络犹如神经系统，可以感知坝体各部位相关信息，大坝因此而有望成为一种机敏结构。分布式光纤监测技术是当代高科技的结晶，是一种理想的大坝安全监测系统，广大安全监测工作者应予以积极推广。 光纤测温技术 光纤测温技术是近年才发展起来的新技术，并已逐渐显露出某些优异特性。可是，正象其他新技术一样，光纤测温技术并不是万能的，它不是用来代替传统方法，而是对传统测温方法的补充与提高。充分发挥它的特长，就能创造出新的测温方案与技术应用的场合，如下所述： ● 强电磁场下的温度测量。高频与微波加热方法受到人们重视，正在向如下领域逐渐扩展：金属的高频熔炼、焊接与淬火、橡胶的硫化、木材与织物的烘干以及制药、化工，甚至家庭烹调等。光纤测温技术在这些领域中有着绝对优势，因为它既无导电部分引起的附加升温，又不受电磁场的干扰。 ● 高压电器的温度测量。最典型的应用是高压变压器绕阻热点的温度测量。英国电能研究中心从20世纪70年代中期就开始潜心研究这一课题，起初是为了故障诊断与预报，后来又用于计算机电能管理的应用，转入了安全过载运行，使系统处于最佳功率分配状态。另一类应用的场合是各种高压装置，如发电机、高压开关、过载保护装置，甚至架空电力线和地下电缆等。 ● 易燃易爆物的生产过程与设备的温度测量。光纤传感器在本质上是防火防爆器件，它不需要采用隔爆措施，十分安全可靠。与电学传感器相比，既能降低成本又能提高灵敏度。例如，大型化工厂的反应罐工作在高温高压状态，反应罐表面温度特性的实时监测可确保其正确工作，将光纤沿反应罐表面铺设成感温网格，这样任何热点都能被监控，可有效地预防事故发生。 ● 高温介质的温度测量。在冶金工业中，当温度高于1300℃或1700℃时，或者温度虽不高但使用条件恶劣时，尚存在许多测温难题。充分发挥光纤测温技术的优势，其中有些难题可望得到解决。例如，钢液、铁液及相关设备的连续测温问题，高炉炉体的温度分布等，有关这类研究国内外都正在进行之中。 ● 桥梁安全检测。国内在大桥安全检测项目中，采用了光纤光栅传感器，检测大桥在各种情况下的应力应变和温度变化情况。在大桥选定的端面上布设了8个光纤光栅应变传感器和4个光纤光栅温度传感器，其中8个光纤光栅应变传感器串接为1路，4个温度传感器串接为1路，然后由光纤传输到桥管所，实现大桥的集中管理。从测试结果来看，光纤光栅传感器所取得的测试数据与预期结果一致。 ● 钢液浇铸检测。连铸机在浇铸时，为防止钢液被氧化、提高质量，希望钢液在与空气完全隔绝的状态下，从大包流到中间包。但实际上，在大包浇铸完时，是由操作员目视判断渣是否流出，因而在大包浇铸结束前5~10分钟之间，密闭状态已破坏。为了防止铸坯质量劣化及错误判断漏渣，研制出光纤漏渣检测装置。 附1：阮一峰:四位计算机的原理及其实现 你是否想过，计算机为什么会加减乘除？或者更直接一点，计算机的原理到底是什么？ Waitingforfriday有一篇详细的教程，讲解了如何自己动手，制作一台四位计算机。从中可以看到，二进制、数理逻辑、电子学怎样融合在一起，构成了现代计算机的基础。 一、什么是二进制？ 首先，从最简单的讲起。 计算机内部采用二进制，每一个数位只有两种可能"0"和"1"，运算规则是"逢二进一"。举例来说，有两个位A和B，它们相加的结果只可能有四种。 
这张表就叫做"真值表"（truth table），其中的sum表示"和位"，carry表示"进位"。如果A和B都是0，和就是0，因此"和位"和"进位"都是0；如果A和B有一个为1，另一个为0，和就是1，不需要进位；如果A和B都是1，和就是10，因此"和位"为0，"进位"为1。 二、逻辑门（Logic Gate） 布尔运算（Boolean operation）的规则，可以套用在二进制加法上。布尔运算有三个基本运算符：AND，OR，NOT，又称"与门"、"或门"、"非门"，合称"逻辑门"。它们的运算规则是： AND：如果( A=1 AND B=1 )，则输出结果为1。两个输入（A和B）都为1，AND（与门）就输出1；只要有任意一个输入（A或B）为1，OR（或门）就输出1；NOT（非门）的作用，则是输出一个输入值的相反值。它们的图形表示如下： 
三、真值表的逻辑门表示 现在把"真值表"的运算规则，改写为逻辑门的形式。 先看sum（和位），我们需要的是这样一种逻辑：当两个输入不相同时，输出为1，因此运算符应该是OR；当两个输入相同时，输出为0，这可以用两组AND和NOT的组合实现。最后的逻辑组合图如下： 
再看carry（进位）。它比较简单，两个输入A和B都为1就输出1，否则就输出0，因此用一个AND运算符就行了。 
现在把sum和carry组合起来，就能得到整张真值表了。这被称为"半加器"（half-adder），因为它只考虑了单独两个位的相加，没有考虑可能还存在低位进上来的位。 
四、扩展的真值表和全加器 如果把低位进上来的位，当做第三个输入（input），也就是说，除了两个输入值A和B以外，还存在一个输入（input）的carry，那么问题就变成了如何在三个输入的情况下，得到输出（output）的sum（和位）和carry（进位）。 这时，真值表被扩展成下面的形式： 
如果你理解了半加器的设计思路，就不难把它扩展到新的真值表，这就是"全加器"（full-adder）了。 
五、全加器的串联 多个全加器串联起来，就能进行二进制的多位运算了。 先把全加器简写成方块形式，注明三个输入（A、B、Cin）和两个输出（S和Cout）。 
然后，将四个全加器串联起来，就得到了四位加法器的逻辑图。 
六、逻辑门的晶体管实现 下一步，就是用晶体管做出逻辑门的电路。 先看NOT。晶体管的基极（Base）作为输入，集电极（collector）作为输出，发射极（emitter）接地。当输入为1（高电平），电流流向发射极，因此输出为0；当输入为0（低电平），电流从集电极流出，因此输出为1。 
接着是AND。这需要两个晶体管，只有当两个基极的输入都为1（高电平），电流才会流向输出端，得到1。 
最后是OR。这也需要两个晶体管，只要两个基极中有一个为1（高电平），电流就会流向输出端，得到1。 
七、全加器的电路 将三种逻辑门的晶体管实现，代入全加器的设计图，就可以画出电路图了。 
（点击看大图） 按照电路图，用晶体管和电路板组装出全加器的集成电路。 
左边的三根黄线，分别代表三个输入A、B、Cin；右边的两根绿线，分别代表输出S和Cout。 八、制作计算机 将四块全加器的电路串联起来，就是一台货真价实的四位晶体管计算机了，可以计算0000~1111之间的加法。 
电路板的下方有两组各四个开关，标注着"A"和"B"，代表两个输入数。从上图可以看到，A组开关是"上下上上"，代表1011（11）；B组开关是"上下下下"，代表1000（8）。它们的相加结果用五个LED灯表示，上图中是"亮暗暗亮亮"，代表10011（19），正是1011与1000的和。 九、结论 虽然这个四位计算机非常简陋，但是从中不难体会到现代计算机的原理。 完成上面的四位加法，需要用到88个晶体管。虽然当代处理器包含的晶体管数以亿计，但是本质上都是上面这样简单电路的累加。 |
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