光纤传感器原理是什么

　　引言：光纤传感器用尽做为比较敏感信息的传递，用光纤做为传送比较敏感数据的媒质，具备光纤及电子光学测量的特性，有一系列与众不同的优势。绝缘特性好，抗电磁干扰能力强，非入侵性，高灵敏，非常容易完成对被测信息的长距离监管，抗腐蚀，防爆型，环路有可拉伸应变性，有利于与电子计算机连接。

　　【光纤传感器】光纤传感器基本原理是啥 光纤传感器特性以及运用

　　近些年，传感器在向着灵巧、精准、适应能力强、精巧和智能化系统的角度发展趋势。在这里一环节中，光纤传感器这一传感器大家族的新组员倍受青睐。光纤具备许多出色的特性，例如：抗电磁辐射和分子辐射源的特性，径细、质软、重量较轻的物理性能;绝缘层、无磁感应的电力特性;耐潮、耐热、抗腐蚀的有机化学特性等，它可以在人达不了的地区(如高温)，或是对人会有毒的地域(如辐射区)，具有人的特情的功效，并且还能超过人的生理学界线，接受人的感觉所体会不了的外部信息内容。

　　光纤传感器基本上组成及基本原理

　　光纤传感器由灯源、出射光纤、出射光纤、光解调器、光探测仪及其解解调器构成。其原理是将灯源的光经出射光纤送出去调配区，光在调制区域内与外部被测主要参数相互影响，使光的光电特性(如抗压强度、光波长、頻率、相位差、偏正态等)产生变化而变成被调配的数据信号光，再经过出射光纤送进光探测仪、调制解调器而得到被测主要参数。

　　光纤传感器按传感器基本原理可分成两大类：一类是传光型(非功能性)传感器，另一类是传感器型(功能性)传感器。在传光型光纤传感器中，光纤仅做为光的传送媒质，对被测信息的感覺是靠其他光敏电阻器来进行的，这类传感器抽出射光纤和出射光纤不是持续的，彼此之间的解调器是光谱仪转变的光敏电阻器或其他特性的光敏电阻器。在传感器型光纤传感器中光纤兼具对被测信息的比较敏感及光信号的传送功效，将数据信号的“感”和“传”合而为一，因而这类传感器中光纤是持续的。

　　因为这二种传感器中光纤起着的功效不一样，对光纤的需求也不一样。在传光型传感器中光纤只起传光的功效，选用通讯光纤乃至一般的多模光纤光纤就能符合要求，而光敏电阻器可以很灵便地采用优良的材质来完成，因而这类传感器的敏感度可以做得很高，但必须较多的光耦合器件，构造较繁杂;传感器型光纤传感器的构造相对而言非常简单，可以少用一些耦合器件，但对光纤的需求较高，通常需选用对被测数据信号比较敏感、传送特点又好的独特光纤。到现在为止，具体中大部分选用前面一种，但伴随着光纤生产制造工艺技术的改善，传感器型光纤传感器也终将获得普遍的运用。

　　按光在光纤中被调配的机理不一样，光纤传感器可分成：抗压强度调配型、相位差调配型、光的偏振态调配型、頻率调配型、光波长调配型等。迄令才行，光纤传感器可以测量的参量已达七十多种。

　　光纤传感器特性

　　与传统的的传感器对比，光纤传感器具备与众不同的优势：

　　(1)敏感度高

　　因为仅是一种光波长非常短的无线电波，根据光的相位差便获得其电子光学长短。以光纤干涉仪为例子，因为所采用的光纤直徑不大，遭受细微的机械设备外力的作用或温度转变时其电子光学长短要产生变化，进而造成很大的相位差转变。假定用1 0米的光纤，l℃的变动造成1000ard的相位差转变，若可以检验出的最少相位差转变为0.01ard，那麼能够测到的最少温度转变为l 0℃，由此可见其敏感度之高。

　　(2)抗干扰信号、绝缘、抗腐蚀、安全体系

　　因为光纤传感器是利用电磁波传送信息内容，而光纤又是绝缘、抗腐蚀的传送媒质，而且可以信赖，这使它可以便捷高效地适用于各种各样大中型机电工程、石油化工设备、煤矿等强干扰信号和易燃易爆物品等极端条件中。

　　(3)测量速度更快

　　光的传播速度更快且传送二维信息内容，因而可用以快速测量。对雷达探测等数据信号

　　的剖析规定具备较高的检验速度，运用微电子学的方式难以解决，利用光的衍射状况的快速频谱分析便可处理。

　　(4)信息内容容积大

　　被测数据信号以电磁波为媒介，而光的频率极高，所容下的频段很宽，同一根光纤可以传送多通道数据信号。

　　(5)适用极端自然环境

　　光纤是一种电解介质，耐髙压、抗腐蚀、抗干扰信号，可用以其他传感器所不适合的严酷条件中。

　　除此之外，光纤传感器还具备品质轻、体型小、可以环绕曲、测量目标普遍、重复使用性好、低成本等特性。

　　光纤传感器的运用

　　恰好是因为光纤传感器有着如此之多的优势，促使其主要用途十分普遍，涉及到石油化工设备、电力工程、医药学、建筑专业等众多行业。

　　1.光纤传感器在石油化工设备系统软件的运用

　　在石油化工设备系统软件中，因为矿井自然环境具备高溫、髙压、化学腐蚀及其干扰信号强等特性，促使基本传感器无法在矿井非常好地充分发挥。殊不知光纤自身不通电，体小轻质，易弯折，抗干扰信号、防辐射特性好。尤其合适于易燃易爆物品、室内空间受严苛限定及强干扰信号等极端条件下应用，因而光纤传感器在天然气井主要参数测量中激发着不可替代的功效，它将变成可使用于燃气勘查及原油测井等方面的一项具备宽阔行业前景的新技术应用。

　　1.1光纤传感器在燃气勘查中的运用

　　光纤传感器因为其抗高溫工作能力、多活脉、分布式系统的磁感应工作能力，及其只必须较小的室内空间就可以达到其应用标准的特性，促使在勘查钻探层面特别是在特有的优点。

　　运用光纤传感器可以做成矿井分光计，分布式系统温度传感器及光纤工作压力传感器等适用这类特殊作业规定的商品。

　　(1)矿井分光计

　　液体分析仪器如下图1所显示，可用以掌握前期开发设计流程中的石油构成成份。它由2个传感器生成：一个是光谱图分光纤，另一个是莹光和可燃气体检测。矿井液体根据地质构造探头被引进出输油管，电子光学传感器用以剖析出输油管内的液体。流体剖析分光计则给予了原点矿井液体剖析，并对地质构造液体的评定加以改进。

　　(2)分布式系统温度传感器

　　光纤分布式温度传感器是矿井运用更为盛行的光纤传感器。运用案例是检测注水蒸汽燃料油采掘系统软件。蒸气被引入重白边填充液用于减少油的粘度，使稠油可以采掘出去。矿井蒸气温度可达到250℃以上。

　　液体分析仪器结构

　　图1液体分析仪器结构

　　(3)工作压力传感器

　　侧孔光纤式压力传感器现阶段已经产品研发中，其关键专注于高温高压和矿井工作压力检测每日任务。

　　现阶段根据光纤传感器早已发生别的商业服务商品，例如，用以多组分流测量和分布式系统动态性应变力测量的光纤探头。其可靠性高和高效率低消耗的工艺优点是光纤商品在油气田运用上取得成功的主要因素。

　　1.2光纤传感器在原油测井中的运用

　　原油测井是石化工业最基本上和最重要的过程之一，工作压力、温度、总流量等参数是油气井下的关键参量，根据专业的技术对这种量开展长时间的实时监测，立即获得油气井下信息内容，对石化工业具备极其重要的实际意义。

　　光纤传感器对干扰信号不比较敏感并且能承担极端化标准，包含高溫、髙压及其明显的影响与震动，可以高精地测量井室和井场环境监控系统，与此同时，光纤传感器具备分布式系统测量工作能力.可以测量被测量的空间布局，得出截面信息内容。并且，光纤传感器横截面积小，外观设计短，在井室中占有室内空间很小。而这种特点全是传统式的电子器件传感器在矿井的严酷自然环境下所不具有的。

　　利用光纤传感器可以开展矿井总流量测量、温度测量、工作压力测量、含水量(气)测量、相对密度测量、声波频率测量等。

　　(1)总流量测量

　　因为光的强度、相位差、頻率、光波长等特点在光纤传送的历程中会遭受总流量的调配，利用一定的光检验方式把调配量转化成电子信号，就可以求出液体的总流量，这就是光纤蒸汽流量计的原理。

　　(2)温度及工作压力测量

　　分布式系统光纤测量系统软件(DTS)利用光纤后向拉曼散射的温度效用，可以对光纤所属的温度场开展实时监测，EFPI型(非本征型F-P干预)、FBG型光纤传感器为光波长编号型传感器，具备精确度高、可与此同时测量工作压力、温度、内应力等好几个参数的特性。

　　光纤热色温度传感器是由白灯源、多模光纤光纤构成的双光束温度传感器;光纤辐射型温度传感器利用黑体辐射动能，其非触碰，能测瞬问温度，响应时间快，不用热力循环時间，可适用于高溫测量;半导体材料吸收式热泵光纤温度传感器利用其半导体器件的消化吸收边光波长伴随着温度的提高而向很长光波长偏移的特点，挑选合理的半导体材料发光二极管，使其光谱仪范畴恰好落在消化吸收边的地区，那样通过半导体材料的光照强度就伴随着温度的提高而降低。

　　(3)含水量(气)度及相对密度测量

　　U型光纤的传递输出功率随外部物质折光率转变而变化，电磁波做为数据媒介，与混和液体电阻、流形及水体不相干，根据该基本原理的光纤持率/相对密度传感器从其本质上解决了目前持率存有的高含水无屏幕分辨率和放射性的运用问题，针对多组分液体油、水、气的折光率不尽相同，因此混和液体的折光率会伴随着油、水、气占比的变化而更改。因而这类折光率调配型光纤传感器不但可测液体持率，可与此同时测流体密度，其准确度较高。

　　(4)声波频率测量

　　地震数据在不一样的物质中散播，接受到的地震数据波型便会不一样，依据不一样的地震数据形状，可鉴别地质构造堆积编码序列和堆积结构，为储集层精准定位、分辨窜槽、检验防水套管损坏及破裂、射孔层系及明确液体总流量等。VSP大地震测井，便是把检波器放人井中，根据路面击发的地震数据或利用井中液体流动性等造成的微振动，由井中的检波器接受大地震数据信号。永久性矿井光纤三份量大地震测量具备高的精确度和专一性，能造成高精密的室内空间图象，不但能给予近井孔图象，并且能给予井孔周边地质构造图象，测量范畴能达数千公里。它能承受极端自然环境标准，且沒有可运动构件和矿井电子元器件，能承受强的撞击和振动，可安裝在错综复杂的完井管柱很小的室内空间

　　光纤传感器在供电系统的运用

　　供电系统网络架构繁杂、遍布范围广，在髙压电缆线和通信网络互联网上普遍存在着各式各样的安全隐患，因而，系统对内各种各样路线、互联网开展分布式系统检测看起来至关重要。

　　1.在高压电缆线温度和应变力测量中的运用

　　现阶段，海外(主要是法国、 日本 等)已利用激光器喇曼光谱效用研发出分布式系统光纤温度传感器商品。而中国也在积极地进行这方面的探讨工作中。中国把分布式系统光纤温度传感器技术引进供电系统电缆线温度测量的探讨工作中仅仅刚开始。

　　联络到在我国沿海地区上年所遭遇到的极端天气来考虑到，假如能在高压电缆线上并行处理地铺装传感器光缆电缆，对供电系统电缆线、塔杆等基础设施的温度、工作压力等参数开展即时测量，就可以保证立即排险，进而尽量减少财产损失。由此可见，光纤传感器在供电系统将具备普遍的应用前景。

　　在理想化状况下，光纤应被放置尽量挨近电缆线缆芯的部位，以更准确地测量电缆线的具体温度。针对直埋动力电缆而言，表贴式光纤尽管不可以确切地体现电缆线负荷的转变，可是对电缆线铺设处土壤层传热系数率的改变特别敏感，并且可以降低光纤的安裝成本费。

　　2.在额定功率传感器中的运用

　　额定功率是体现供电系统中热传递与传递的基本上用电量，额定功率测量是电力工程计量检定的一项主要內容。伴随着机械工业的快速发展趋势，传统式的电磁感应测量方式日益显露出来其具有的局限，如绝缘、干扰信号、磁饱和状态等问题，因此大家一直在专注于找寻测量额定功率的新方式。可以说光纤传感器的发生给大家处理这一问题产生了福利。

　　光纤额定功率传感器的主要特点是：因为额定功率传感器与此同时涉及到工作电压、电流量2个用电量，因此通常要一起考虑到光电、磁光效应，与此同时利用2种传感器物质或1种多用途物质做为光敏电阻器，这促使光纤额定功率传感器头的构造比较繁杂;光纤额定功率传感器的光传感器数据信号中有时候与此同时包括工作电压、电流量数据信号，因而其信号检测与解决办法也将比较复杂。

　　3.在供电系统光缆电缆检测中的运用

　　供电系统光缆电缆品种繁多，加上在我国地区宽阔，全国各地自然环境差别非常大，因此光缆电缆的条件也很繁杂，在其中温度和内应力是危害光缆电缆特性的关键环境要素。因而，在检测光纤中断点的并且也对光缆电缆所处温度和内应力状况开展检测，由此可见对光缆电缆的常见故障预警信息及维护保养实际意义长远。

　　根据测量沿光纤长短方位的布里渊散射光的频移和抗压强度，可获得光纤的温度和应变力信息内容，且传感器间距较远，因此有长远的工程项目科学研究使用价值。

　　根据布里渊光频域反射(BOTDR)的分布式系统光纤传感器系统软件，选用相关无损检测技术，系统软件基本原理如下图1所显示。

　　根据BOTDR传感器系统软件基本原理

　　图1根据BOTDR传感器系统软件基本原理

　　BOTDR光纤传感器系统软件测量的是光纤的自发性布里渊散射数据信号，其网络信号十分薄弱，但可以选用相关无损检测技术提升系統频率稳定度。这类计划方案能单灯源、单端工作中，系统软件简易，完成便捷，并且可另外检测光纤中断点、耗损、温度和应变力。

　　传光光纤感应器在医药学层面的运用

　　在临床医学中的运用医疗器材光纤感应器现阶段主要是传光型的。以其精巧、绝缘层、不会受到微波射频和微波加热影响、测量高精度及与生物亲合性好等优势深受高度重视。文中将关键详细介绍传光光纤在工作压力测量、血液速率测量、pH值测量三个领域的运用。除此之外，它还能够运用于测量温度和医疗器材图象传送上边。

　　1.工作压力测量

　　现阶段医学上运用的液位传感器关键用于测量毛细血管内的血压值、颅压、心内科压、膀光和尿道口工作压力等。用于测量血压值的液位传感器提示见图1。在其中对工作压力比较敏感的部位是在探针软管尾端外壁上的一块防潮塑料薄膜，一面含有悬壁的小型反射镜与塑料薄膜相接，反射镜正对面是一束光纤，用于传送入射角到反射镜，与此同时也将反射光传输出去。当塑料薄膜上面有工作压力功效时。塑料薄膜产生变形且能推动悬壁使反射镜视角发生改变，从光纤传出的光线照射后视镜上，再反射到光纤的节点。因为反射光的方位随反射镜视角的变动而更改，因而光纤接受到的反射光的强度也随着转变。这一变化根据光纤传入另一端的光电探测器变为电子信号，那样根据工作电压的改变便得知探针处的工作压力尺寸。

　　图1光纤体压计探针

　　2.血液速率测量

　　多谱勒型光纤转速传感器测量肌肤组织血液的速度的提示见图2此设备运用了光纤的内孔反射状况，测量体系结构简易。

　　光纤体压计探针

　　图2光纤体压计探针

　　发亮頻率为f的激光器经双光透镜，光纤被送至外皮机构。针对没动的机构，例如血管壁，所反射的光不造成频移;而针对表皮层毛细管里流动速度为的血细胞，反射光要造成频移，其頻率改变为△f;产生频移的反射光抗压强度与血细胞的含量成占比，頻率的转变值可与血细胞的健身运动速率正相关。发送光经光纤搜集后，先在光探测器上开展混频，随后进入信号分析仪，进而获得血细胞的健身运动的速度和浓度值。

　　3.pH值测量

　　用于测量活物机构和血夜值pH光纤光谱仪感应器平面图，如下图3所显示。其基本工作原理是运用发送光、电子散射光的强度随光波长的遍布光谱仪来开展测量。这类感应器将二根光纤插进可通过正离子的纤维膜盒中.膜盒内配有实验试剂，当把针管插进机构或毛细血管后，血液渗透到实验试剂，造成实验试剂消化吸收某类光波长的光.用光谱分析仪测到此类转变，就可以求取血夜或机构的pH值。

　　测量pH值的光纤光谱仪

　　图3测定pH值的光纤光谱仪