光纖傳感器的特點有哪些
在工程應用中和科學研究中，溫度都是一個非常重要參考量，占有舉足輕重的地位，傳統(tǒng)的溫度傳感器以熱電偶、半導體及鉑合金為主，它們的測量原理簡單成本較低，因而在實際應用中被廣泛使用。與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比，光纖溫度傳感器是利用一些物質吸收的光譜會隨著溫度的變化而變化，再分析光纖傳輸?shù)墓庾V實時得測量溫度變化情況，它的測量精度較高，并且靈敏度實時可調。
光纖傳感器相對于其他傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、不受電磁干擾、耐腐蝕的特點，使得光纖傳感器的應用范圍較廣，涉及到國防以及國民經(jīng)濟領域和人們的日常生活。光纖溫度傳感器種類很多，主要有光纖光柵溫度傳感器、光纖FabryPerot干涉式溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器、拉曼光纖溫度傳感器等。
光纖傳感器的特點和優(yōu)勢
光纖傳感器是基于光纖的設備，用于檢測一些數(shù)量，通常是溫度或機械應變，但有時也包括位移，振動，壓力，加速度，旋轉（使用基于Sagnac效應的光學陀螺儀測量）或化學物質的濃度。這種裝置的一般原理是來自激光器（通常是單頻?光纖激光器）或來自超發(fā)光源的光通過光纖發(fā)送，在光纖或一個或多個光纖布拉格中經(jīng)歷其參數(shù)的細微變化光柵，然后到達測量這些變化的探測器裝置。
一個區(qū)分內在和外在的傳感器。固有傳感器是光纖本身（可能是修改形式，例如包含布拉格光柵）作為傳感器的傳感器。外部傳感器僅使用光纖將光傳輸?shù)綄嶋H傳感器或從實際傳感器傳輸光。
許多光纖傳感器基于單根光纖，但其他光纖傳感器則采用光纖束制成。例如，存在外部傳感器，其中一些照明光通過束的一些光纖發(fā)送到樣本，并且反射光或用過的熒光通過其他光纖發(fā)回。
與其他類型的傳感器相比，光纖傳感器具有許多優(yōu)點：
- 它們由電絕緣材料（不需要電纜）組成，這使得它們可以用于例如高壓環(huán)境中。
- 它們可以安全地用于爆炸性環(huán)境中，因為即使在出現(xiàn)缺陷的情況下也不存在電火花的風險。
- 它們不受電磁干擾（EMI）的影響，即使是附近的雷擊，也不會對其他設備造成電擊。
- 它們的材料可以是化學被動的，即不會污染其周圍環(huán)境并且不會受到腐蝕。
- 它們具有非常寬的工作溫度范圍（比許多電子設備可能的范圍寬得多）。
- 它們具有多路復用功能：單個光纖線路中的多個傳感器可以通過單個光源進行查詢。
布拉格光柵傳感器
光纖傳感器通常基于光纖布拉格光柵。許多光纖傳感器的基本原理是光纖布拉格光柵的布拉格波長（即最大反射波長）不僅取決于布拉格光柵周期，還取決于溫度和機械應變。
對于基于二氧化硅纖維的光學應變傳感器，布拉格波長對應變的分數(shù)響應比應變本身小約20％，因為應變的直接影響在某種程度上通過折射率的降低而降低。溫度效應接近單獨熱膨脹所預期的溫度效應。應變和溫度的影響可以通過各種技術來區(qū)分（例如，通過使用不受應變影響的參考光柵，或者通過組合不同類型的光纖光柵），從而同時獲得兩個量。
對于純應變傳感，分辨率可以是幾μs的范圍（即，相對長度變化幾倍10?-6），并且精度可能不會低得多。對于動態(tài)測量（例如聲學現(xiàn)象），可以實現(xiàn)在1Hz帶寬內優(yōu)于1nε的靈敏度。
還有布拉格光柵激光傳感器，其中實現(xiàn)了光纖激光器，由兩個光柵和其間的稀土摻雜光纖組成。或者，另一側可以有一個FBG和一個寬帶反射器。當提供泵浦光時，這種裝置產生波長接近布拉格波長的輸出。
準分布式傳感
單根光纖可以包含許多串聯(lián)的光柵傳感器（見上文），以監(jiān)測沿整個光纖的溫度和應變分布。這稱為準分布式傳感。有不同的技術來解決單個光柵（以及沿光纖的某些位置）：
- 在稱為波分復用（WDM）或光頻域反射計（OFDR）的一種技術中，光柵具有略微不同的布拉格波長。甲波長可調?激光器中的詢問器單元可以被調諧到屬于特定的光柵波長，和最大的波長的反射率表示應變或溫度的影響，例如。或者，寬帶光源（例如，超發(fā)光源）可以與波長掃描光電探測器（例如，基于光纖Fabry-Pérot）或基于CCD的光譜儀一起使用。。在任何情況下，光柵的最大數(shù)量通常在10和50之間，受光源的調諧范圍或帶寬和每個光纖光柵所需的波長間隔的限制。
- 另一種稱為時分多路復用（TDM）的技術使用相同的弱反射光柵，用短光脈沖進行詢問。然后通過它們的到達時間來區(qū)分來自不同光柵的反射。時分復用通常與波分復用相結合，以便將不同信道的數(shù)量乘以數(shù)百甚至數(shù)千。
- 光學開關允許人們在不同的光纖線路之間進行選擇，進一步增加可能的傳感器數(shù)量。
分布式傳感
其他光纖傳感器不使用光纖布拉格光柵作為傳感器，而是使用光纖本身。然后，傳感原理可以基于瑞利散射，拉曼散射或布里淵散射。例如，光時域反射計是一種使用脈沖探測信號可以定位弱反射的方法。例如，還可以利用布里淵頻移的溫度或應變依賴性。
在某些情況下，測量的量是整個纖維長度的平均值。對于某些溫度傳感器而言，情況也是如此，但對于用作陀螺儀的Sagnac干涉儀也是如此。在其他情況下，測量位置相關的量（例如溫度或應變）。這稱為分布式傳感。
有關更多詳細信息，請參閱光學溫度傳感器和光學應變傳感器的文章
其他方法
除了上述方法之外，還有許多替代技術。一些例子是：
- 光纖布拉格光柵可用于干涉光纖傳感器，其中它們僅用作反射器，并且測量的相移由它們之間的光纖跨距產生。
- 存在布拉格光柵激光傳感器，其中傳感器光柵形成光纖激光?諧振器的端鏡，其包含例如一些摻鉺光纖，其通過光纖線接收一些980nm泵浦光。布拉格波長取決于例如溫度或應變，決定激光發(fā)射波長。這種方法具有許多進一步的變化，由于這種光纖激光器的線寬小而具有非常高的分辨率，并且具有非常高的靈敏度。
- 在某些情況下，成對的布拉格光柵被用作光纖法布里 – 珀羅干涉儀，它可以對外部影響做出特別敏感的反應。法布里 – 珀羅干涉儀也可以用其他方法制造，例如在光纖中具有可變的氣隙。
- 長周期光纖光柵對于多參數(shù)傳感（例如溫度和應變）特別有用，并且對于對溫度變化具有非常低靈敏度的應變傳感也是如此。
應用
即使經(jīng)過多年的發(fā)展，光纖傳感器仍未取得巨大的商業(yè)成功，因為即使它們具有某些局限性，也難以取代已經(jīng)成熟的技術。然而，對于某些應用領域，光纖傳感器越來越被認為是一種具有非常有趣可能性的技術。這尤其適用于惡劣環(huán)境，例如高壓和高功率機械或微波爐中的傳感。布拉格光柵傳感器還可用于監(jiān)測例如飛機機翼，風力渦輪機，橋梁，大型水壩，油井和管道中的狀況。帶有集成光纖傳感器的建筑有時被稱為“智能結構”;
