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光纤传感技术及其应用探究

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vguangxian 发表于 2022-9-25 15:50:44 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
摘要:光纤传感技术经过五十多年的学术研究与技术发展,近几年来出现了加速发展的趋势。这是因为一方面,光纤传感技术凭借其抗干扰能力强、体型小、敏感度高、传送距离远、本质安全等优势,已经在多个领域得到了广泛的应用并得到了良好的反馈;另一方面,随着我国经济和技术的发展,为光纤传感技术的推广应用提供经济基础和广泛的应用场景。
关键词:光纤光学;传感技术;应用
一、引言
1970年,世界上第一根真正意义上的光纤问以来,光纤的发展便进入了飞速的阶段。光纤最初作为光波信息传输的媒介,具有低损耗、高速度、抗干扰和低成本等优势。随着光纤在各行业的发展应用,人们发现光在光纤内传播时,其光强、相位、波长、偏振态和频率等特征参数会受外界环境的影响。据此,人们意识到光纤除了作为传播媒介外,其在传感领域也拥有巨大的前景。
经过多年的研究,现如今已经开发出适用于不同环境的各类光纤传感器,凭借其独特的优势,其在科研和工业界都有着重要的地位,包括航空航天、石油化工、医疗、电力传输等领域。现常见的光纤传感器包括温度、应变、压力、加速度、振动等。
二、光纤传感器概述2.1基本原理
光纤传感器主要由光源、传输光纤、光电探测器和信号处理部分等组成。其基本原理是将来自光源的光经过光纤送入传感头(调制器),使待测量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、相位和偏振态等)发生变化,成为被调制的信号光,再经过光纤送入光电探测器,将光信号转化为电信号,后经过信号处理后还原出被测物理量。光纤传感器一般可分为功能型(传感型)传感器和非功能型(传光型)传感器两大类。 
v2-41b8f646ebd2314bbefb4206c15a9bbe_720w.jpg 图1-1 光纤传感器原理2.2优势
相比起传统式的电子传感技术,光纤传感技术具有许多的优点,主要表现在:
(1)灵敏度高 
由于光是一种波长极短的电磁波,通过光的相位便得到其光学长度。以光纤干涉仪为例,由于所使用的光纤直径很小,文库受到微小的机械外力的作用或温度变化时其光学长度要发生变化 。
(2)抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全 
由于光纤传感器是利用光波传输信息,而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质,并且安全可靠,这使它可以方便有效地用于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中。 
(3)测量速度快 
光的传播速度最快且能传送二维信息,因此可用于高速测量。对雷达等信号的分析要求具有极高的检测速率,应用电子学的方法难以实现,利用光的衍射现象的高速频谱分析便可解决。 
(4)信息容量大 
被测信号以光波为载体,而光的频率很高,所容纳的频带很宽,同一根光纤可以传翰多路信号。 
(5)适用于恶劣环境 
光纤是一种电介质,耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰,可用于其它传感器所不适应的恶劣环境中。
三、光纤传感器的应用
近年来,光纤除应用于通信领域外,还被作为传感器用于测量应力和温度等物理量。光纤传感技术在国家安全、重大工程、生物医药前沿和科学研究等多个领域都具有重大的社会需求和应用前景。
3.1国家安全监控
(1)能源储备安全监测
能源作为战略储备物资,保证其开采和储备设施的安全可靠极其重要。使用光纤传感技术,可以对能源开采设备、运输设施和储存设施情况进行监控,可以实时了解其各个部位的温度、振动、所受应力。相比于过去的人工使用设备进行沿线检测,这种方式极大的提高了安全检测的可靠程度和效率。
(2)地质灾害监测
我国是地质灾害多发国家之一,地质灾害种类多、范围广、频次高,因此,如何准确且及时的对各种地质灾害进行监测是十分有必要的。采用分布式光纤传感技术,可以实现长距离、高精度的温度和应变实时监控,从而对地震、火灾、溃堤等灾害实现早期预警和实时监测。
3.2重大工程安全监测
(1)桥梁安全监测
随着路桥事业的发展,新建桥梁工程数量不断增加,现阶段我国越来越多桥梁工程因年久失修而出现质量问题,将光纤传感技术应用于桥梁检测中,能及时了解桥梁工程结构的质量、使用性能等,对桥梁结构质检、改扩建等都有很大帮助。
v2-872ab7048c2e8f857cd38f8ae2726f92_720w.jpg 图2-1 桥梁安全监测
(2)隧道安全监测
隧道属于高危工程,隧道施工和使用中最易出现的安全事故包括火灾、塌方、积水等。使用分布式光纤传感技术,可以对隧道内各个部分的结构质量、实时状况进行监测,对隧道结构的质检、修缮以及危险预警方面都有帮助。
v2-c926b6baa40868c677aa61491566f1cc_720w.jpg 图2-2 隧道安全监测
除此之外,光纤传感技术在生物化学检测、海洋环境监测、航空高精度压力参量检测等都有广泛的应用前景。光纤传感正逐渐的走进我们生活的方方面面。
四、小结
光纤传感技术具有布线简单、灵敏度高、不受电磁干扰等特点,并且可以适用于多个领域的多种场景中。目前光纤传感技术得到了许多学者的探索和研究,但仍然存在一些问题有待解决。首先,光纤传感器在对一些较为复杂的目标进行监测时,对其空间分辨率有极高的要求,如何在保持数据精确度的情况下提高分辨率,是需要我们攻克的。其次,相对于传统的电子传感器,光纤传感器的铺设成本过高,且制作技术不成熟,如何开发出更为成熟、更低成本的光纤传感器也是需要解决的问题。
总而言之,光纤传感技术的特性决定了它在各个行业中都有广阔的应用前景,现阶段技术并未发展完善,在未来发展过程中还需要对相关技术进行进一步地优化和提升, 以此来进一步推动整体地发展和进步。
参考文献:
[1]马昌魁,孙坤鹏.光纤传感技术在桥梁检测中的应用探讨[J].散装水泥,2021(05): 114-116.
[2]张盖伦.光纤变身从信号传输的“血管”到监测的“神经”[N].科技日报, 2021-10-25(003).
[3]刘紫娟,李永倩,张立欣,范海军.基于光纤传感的形状传感发展研究[J/OL].激光技术:1-13[2021-11-17].
[4]高启丽.光纤传感技术在煤矿机电设备安全状态监测系统中的应用[J].当代化工研究,2021(18):135-136.
[5]何祖源,刘庆文.光纤分布式声波传感器原理与应用[J].激光与光电子学进展, 2021, 58(13):11-25.
[6]余佳浩.基于双锥形马赫—曾德光纤传感器的特性及应用研究[D].重庆理工大学,2020.





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