光纤传感行业应用分析Word文档格式.docx

1、光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。优点：结构紧凑、灵敏度高。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2.非功能型光纤传感器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受被测量调制。无需特殊光纤及其他特殊技术；比较容易实现，成本低。灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。3.拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。1.2光纤传感器的

2、市场情况光纤传感器的应用还属于发展阶段，随着光纤造价不断降低以及光纤传感器的诸多环境应用优势而发展迅速。武汉理工光科股份有限公司是目前号称国内最大的光纤传感器生产商，其2008年营业额约为7000万元左右。而真正规模比较大的公司是能够提供传感器与工业诊断应用业务平台的公司，如瑞蓝思raylens的永久光纤气井井下温度压力监测系统。2光纤传感器的分类2.1光强调制型光纤传感光强调制是光纤传感技术中相对比较简单,用得最广泛的一种调制方法。其基本原理是利用外界信号（被测量）的扰动改变光纤中光（宽谱光或特定波长的光）的强度,再通过测量输出光强的变化（解调）实现对外界信号的测量。根据调制区与光纤的关系,

3、可将光强调制调制分为非功能型与功能型调制。2.1.1非功能型光强调制非功能型光强调制的具体调制方法很多,其基本原理是,根据光束位移、遮挡、祸合及其他物理效应=108,通过一定的方式使进入接收光纤的光强随外界信号变化而改变。基本调制方式大致可分为三种类型:物理效应型、光束切割型和光闸型。1.物理效应型光强调制目前用于非功能型光强调制的物理效应主要有热效应、荧光效应、透明效应、和热辐射效应。热色效应是指某些物质的光吸收谱强烈地随温度变化而变化的物理特征。而具有热色效应的物质称为热色物质。荧光效应是指某些荧光物质的荧光特性随温度变化的物理特性。荧光物质的荧光现象一般遵循斯托克斯或反斯托克斯定律,长波

4、长光辐射（烧D红外光）为荧光物质吸收,通过双光子效应激发出短波长辐射（可见光）的荧光现象称为斯托克斯效应或上转换荧光现象。短波长光辐射（紫外线、x射线）为荧光物质吸收,激发出长波长光辐射（可见光）的荧光现象称为反斯托克斯效应或下转换荧光现象。透明度效应主要是指某些物质的透明度随外界信号变化而变化的物理效应。如某些化学试剂对一定波长光的透明度随溶液的pH值变化,某些半导体材料对一定波长光的透明度随外界温度变化等。利用这一物理效应可实现外界信号对光纤中一定波长光的强度进行调制。热辐射效应是指根据普朗克黑体辐射定律,如果己知物体的热辐射率,则测量某一波长下的功率密度就可求出被测温度。2.光束切割及光

5、闸型光强调制光束切割式光强调制的基本原理是:外界信号按照一定的规律控制接收光纤的人射端或发射光纤的出射端,或特定的反射或透射光学元件,使其产生相应的线位移或角位移,导致进入接收光纤的光束被切割,从而对光纤传输的光强进行调制。光闸型光强调制的基本原理是:在发射光纤与接收光纤之间加置一定形式的光闸,对进入接收光纤的光束产生一定程度的遮挡,外界信号通过控制光闸的位移来制约遮光程度,实现对进入接收光纤的光强进行调制。光闸的形式很多,有简单的遮光片式、散光式,也有比较复杂的光栅式、码盘式等。2.1.2功能型光强调制功能型光强调制的调制区发生在传感光纤内.其基本原理是外界信号（被测量）通过改变传感光纤的外

6、形、纤芯与包层折射率比、吸收特性及模式祸合特性等方法对光纤传输的光波强度进行调制。目前用于功能型光强调制的主要有变折射率、微弯损耗及变吸收特性等类型。1.变折射率在光纤纤芯的折射率飞不变的情况下,如果光纤某部位的包层折射率随外界信号而变化,或者光纤某部位的纤芯与包层的折射率均发生变化,则该敏感部位的相对折射率差随外界信号而变化,从而导致传感光纤的敏感部位渐逝波损耗,即对光纤中的光强进行调制。2.微弯损耗如果外界信号按照一定的规律使光纤发生周期很小的波状变化,光纤将沿其轴线产生周期性微小弯曲。光纤弯曲将造成传输损耗,光纤中传输的光强因光纤微弯损耗受到调制。光纤微弯损耗与光纤宏观弯曲损耗的机制类似

7、,也源于空间滤波、模式泄漏和模式祸合效应.但起主导作用的不是空间滤波而是模式祸合,即纤芯中传输的导模祸合到辐射模中随之辐射到光纤之外。3.变吸收特性由对某些射线辐射敏感的材料制成的光纤,其吸收损耗随敏感射线辐射量的增加而加大,借此可对光纤中的光强进行调制。如选用铝玻璃制成的光纤,则对x射线、了射线、中子射线最敏感。利用变吸收特性光强调制原理制成的光纤传感器灵敏度高,线性范围大,实时性好,且结构灵活小巧,适合各种放射性测量。2.2光相位调制型光纤传感光相位调制是指外界信号（被测量）按照一定的规律使光纤中传播的光波相位发生相应的变化,光相位的变化量即反映被测外界量。光纤传感技术中使用的光相位调制大

8、体有三种类型。一类为功能型调制,外界信号通过光纤的力应变效应、热应变效应、弹光效应及热光效应使传感光纤的几何尺寸和折射率等参数发生变化,从而导致光纤中的光相位变化,以实现对光相位的调制。第二类为萨格奈克（sagnac）效应调制,外界信号（旋转）不改变光纤本身的参数,而是通过旋转惯性场中的环形光纤,使其中相向传播的两光束产生相应的光程差,以实现对光相位的调制。第三类为非功能型调制,即在传感光纤之外通过改变进入光纤的光波光程差实现对光纤中光相位的调制。2.3光偏振调制型光纤传感偏振调制,是指外界信号（被测量）通过一定的方式使光纤中光波的偏振面发生规律性偏转（旋光）或产生双折射,从而导致光的偏振特性

9、变化,通过检测光偏振态的变化即可测出外界被测量。光纤传感技术中使用的光偏振调制大体两种类型。一类是利用光纤的磁光效应,另一类则利用光纤的弹光效应。磁致旋光效应（法拉第效应）简称磁光效应,是指某些物质在外磁场的作用下,能使通过它的平面偏振光的偏振方向发生旋转。存在磁致旋光效应的物质称为法拉第材料。假设法拉第材料的长度为L,沿长度方向施加的外磁场强度为H,则线偏振光通过它后偏振方向旋转的角度即可通过算法计算。弹光效应又称光弹效应,它是一种应力应变引起双折射的物理效应。当传感光纤受轴向应力作用时。由于应变引起光纤的折射率变化,从而导致光相位变化,这是一种纵向弹光效应。而在传感光纤的通光正交方向施加应

10、力,则在受力部分产生各向异性.引起双折射,是一种横向弹光效应。由应力引起的感应双折射正比于所施加的应力。2.4光偏振调制型光纤传感外界信号（被测量）通过选频、滤波等方式改变光纤中传输光的波长,测量波长变化即可检测到被测量,这类调制方式称为光波长凋制。目前用于光波长调制的方法主要是光学选频和滤波。传统的光波长调制方法主要有光纤F-P腔干涉式滤光、里奥特偏振双折射滤光及各种位移式光谱选择等外调制技术。上世纪90年代以来,尤其近几年迅速发展起来的光纤光栅滤光技术为功能型光波长调制技术开辟了新的前景。3光纤传感器的工业应用领域光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，尤

11、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：1）在建筑材料混凝土梁应变监测中的应用。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，用于测试应力松弛、施工应力和动荷载应力，从而来评估混凝土梁短期、施工阶段和长期状态的结构性能。2）在桥梁安全监测中的应用。目前，应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。 3）在化学测量中的应用，光纤传感器可用于化学量传感,因为光纤传感器中的光波长可随折射率的变化而变化,环境中的化学物质浓度变化会引起折射率变化。最近报道利用写在侧面磨光的D形光纤上的长周期光纤光栅传感器

12、实现了一些化学量的测量,它的原理是利用长周期光栅的同向祸合特性来测量折射率。对于不同的环境折射率,长周期光纤光栅在其透射谱中有相应的波长吸收峰。长周期光栅对传递光纤包层材料折射率的变化比光纤布拉格光栅更为敏感,包层材料折射率的任何变化都会改变传输光谱的特性,使吸收峰发生改变,所以长周期光栅折射率测量系统的分辨率可实现10一的灵敏度。目前已经用长周期光栅传感器测出了许多化学物质的浓度,如蔗糖、乙醇、己醇、十六烷、CaaZ、NaaZ等的浓度、原则上,任何具有吸收峰谱且其折射率在1.3和1.45之间的化学物质都可用长周期光栅进行探测。4）在电力系统中的应用。在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对

13、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，非常适用大范围交点测温的应用场合。5）在石油化工系统、矿井、大型电厂中的应用。在生产中需要检测氧气、碳氢化合物、CO等气体，采用电类传感器不但达不到要求的精度，更严重的是会引起安全事故。因此，研究和开发高性能

14、的光纤气敏传感器，可以安全有效地实现上述检测。6）在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面的应用。由于其环境复杂，影响因素多，使用其它传感器达不到所需要的精度，并且易受外界因素的干扰，采用光纤传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精度，可实现对上述各领域的生物量的快速、方便、准确地检测。4光纤传感器在电力行业的应用1）某些关键部件的在线监测。例如风力发电机组的风机叶片是风力发电的关键所在，其叶片承受的压力与风力大小有直接的关系， 而风力的大小是不可预测的，因此实时监控风机叶片的应力变化是必须的。监测可以使用体积小、重量轻的光纤应力传感器。2）大型结构体的在线监测。某些大型结构体，例如发电机

15、组的锅炉和燃烧室的温度分布情况，对于提高燃烧效率和安全是至关重要的。光纤温度传感器可以安装在燃烧室的内部， 特种光纤的测温范围可以高达1000 摄氏度以上。通过光纤温度传感器就可以清楚地知道燃烧室内部的温度分布情况，从而确切地知道焰心的位置。3）分布式光纤传感器。光纤分布式传感器集传感与信息传输于一体，并不需要在光纤上做特殊的处理，只需要普通的通信光纤就可以胜任。通信光纤再加上光源和光探测器，便可实现远距离实时测量与监控，特别适合于需要同时检测大量位置点或沿着光纤通过的路径连续变化的物理量，比如建筑物、桥梁、水坝、储油罐等大型结构中应力和应变（裂缝）的监测，石油钻井平台、飞机、航天器、电力变压

16、器等场合应力和温度分布状况的实时监测等。4）光纤电流传感器。反射式光纤电流传感器是基于磁光Faraday效应，通过检测光纤中的模式正交的两束偏振光由于敏感电流周围的磁场， 所产生的相位差的变化量，间接地测量母线中的电流值。光纤电流传感器的现场安装图5）光纤气体传感器在电力系统中的应用。气体监测是电力系统安全运行的一项重要监测内容，利用光纤传感器可以实现远距离、多点实时监控。其原理是利用不同的待监测气体在光的不同波长区域的特征吸收谱线，采用吸收光谱法进行气体浓度监测。其特点是全光纤结构、损耗低、易于实现长距离多点探测，本身不发热，无电、无火，这种固有的安全性消除了爆炸的危险和电磁干扰问题；测量的

17、动态范围大，可以有效的起到预警的作用；反映速度快；对环境的适应性强。能在潮湿、粉尘较多的环境下使用。可以监测的气体种类多，诸如瓦斯、煤气、二氧化碳、硫化氢、氨气、氮气、氯气和六氟化硫气体等。而且可以使用同一个光纤气体传感器监测多种气体。6）光纤传感器在核电工业中的应用。由于光纤传感器的抗辐射特性，在核能工业这个特殊领域也有一席之地。日本核能研究院在年度报告中提到，他们正在用光纤传感器对反应堆进行实时检测。此外，其他国家也使用光纤传感器来检测核电厂的混凝土健康状况、核废料堆温度、高温部件等安全问题。7）光纤温度传感器的电厂温度监控。光纤温度传感器代替传统的温度传感器实现电厂某些关键设备的温度监测

18、是当前的研究热点问题。主要有：（1）利用光纤光栅实现汽轮机内湿蒸汽的湿度与温度测量，若采用多点监测可动态确定汽轮机内温度场和湿度场的分布 。（2）同步调相机转子温度的测量 。（3）光纤温度压力混合传感器用于核电站第四代反应堆高温、压力监测，可实现系统光纤温度传感器在电力系统中的应用现状综述拿监测。（4）水电站水坝温度监测，目前已有很多现场应用的实例，如分布式光纤测系统存长调水电站 、云南大理小湾拱坝等的应用。8）光纤温度传感器的高压电力电缆负荷安全监测。分布式光纤测温根据光纤安置往电缆上位置分为内置式与表贴式两种。内置式所测温度基本等于电缆芯温度，但其需要特殊生产，且敷设复杂。目前研究比较多的

19、是表贴式光纤测温系统在电力电缆上应用。光纤测温系统测得电缆表皮温度后，结合实时电流计算出电缆线芯温度， 可进一步推算出动态载流量并模拟各种运行状态。电缆温度监测可以在电缆全长度范同内发现过热点和异常行为点，包括快速升温点和慢性升温点等，能发现限制电缆载流量的瓶颈点的温度与位置信息，预防电缆故障的同时为电力调度提供科学依据。9）光纤温度传感器的电缆隧道火灾监控。发电厂和变电站内火量的高压电气设备都是通过电缆连接的，这些电缆都敷设在厂房或变电站下的电缆隧道。于电缆隧道环境比较恶劣，且电缆数量较多，容易由于根电缆的绝缘损坏、局部放电而引起大面积的火灾事故，造成严重的经济损失。分布式光纤测温系统可以应

20、用到电缆隧道等需要检测的位置。10）其他应用。除此之外，光纤微振动传感器在大型变压器和发电设备的振动监测中得到应用；光纤角速度传感器在电力机器人的导航领域得到应用；还有管道应变、弯曲监测、液体或气体泄露等等领域都有光纤传感器的用武之地。总之，光纤传感器可以测量的信号有电压、电流、电场、磁场、应力、温度、速度、流量、声波、超声波、气体或液体的浓度、酸碱度等。5光纤传感器在石油行业的应用1）石油开采方面的应用。采用分布式光纤测温系统进行监测指导生产可将石油采收率提高百分五到百分之三十。通过温度分析监测吸气和产液剖面，来判断注水和注气对于孔隙驱替的有效性。监测生产过程的气油比，是否存在气窜。因气油比

21、升高会导致储层层段流体粘度降低以及流速的变化，进而导致温度下降。2）井下温度压力监控。通过将储层接触面积的最大化和井眼的精确布置两项技术相结合以及通过对油藏进行实时监测和控制，能够显著地提高储层采收率和原油产量。（1）根据各个层段生产指数的变化可以判段和确定节流生产段的效果；（2）能测量和调节每个产层的关井压力、流动压力，从而更科学、更简化地管理非均质油藏；（3）消除了关井时横向流动的影响，可以进行每个产层地压力升降分析；（4）能关闭或者抑制产水层段，从而改善举升性能、易于处理及排放产出水；（5）实时获得关键信息，把生产测井工作量减至最少；（6）可减少干扰作业次数，节约操作和风险费用，直接提高

22、安全性；3）光纤永久式井下温度压力监测系统的海上平台应用。能够对井下阀和完井系统直接实施水力控制以及压力监测。这种灵活性不仅降低了作业成本，而且还提供了出现意外情况时的应急方案。（1）减少气突破和水锥进在最大油藏接触面的井中的任一个分支发生水突破都可能使井报废；（2）增加井的生产能力，提高采收率；（3）分支井的智能完井，任意分支状态监测；管理水突破；（4）智能技术通过控制油气生产储层的合采使得边际储量和碳氢化合物加速开发好；（5）可控制水的回注；（6）提高最终采收率；（7）判断压裂效果。4）光纤井下温度压力监测系统在地下储气库开采中的应用。通过测量当前井下的压力是多少？还能注入多少天然气，而不

23、超过额定最高压力？还能采多少天然气，而且至于地下水过多挤入，减小库容，或者将垫气采出。6光纤传感器在铁路行业的应用1）桥梁、隧道结构状态监测。利用光纤光栅对温度、应力等的敏感特性而设计的光纤温度、位移、拉力、形变、水压等传感器已经广泛应用到桥梁和隧道等建筑物结构健康状况监测，对隧道火灾、结构变形、水浸，桥梁结构稳定性、缆绳受力状态等参数进行实时监测。由此形成的光纤传感结构健康监测技术（SHM）已经历了20多年的发展， 目前国内已有多家单位开展了实际工程应用研究，已成为光纤传感技术发展最成熟的方向之一。2）轨道温度监测。分布式光纤温传感器能够连续测量光纤沿线各处温度，测量距离可为几公里，空间定位

24、精度达到米级，监测轨道温度的同时可确定温度异常点位置，并不间断自动测量，特别适用于大范围多点测量和监测轨道温度的线路。3）轨道不平顺监测。采用弦测法原理将红外光源和线阵电荷耦合元件（CCD）传感器固定在机车转向架上，机车运行时，轨道的起伏导致前后两组轮对高低不平，红外光源成像到ccD的不同像元上，得到感光像元几何位置变化，测出轨道高低不平顺。在轨对左右各安装一套红外光源HCCD，比较两股钢轨的高低起伏，得到轨道水平不平顺和三角坑 现的位置。4）轨道振动监测。列车载重的提高使轨道动态载荷不断增大、冲击振动加剧和钢轨结构损伤加剧。波磨指钢轨表面纵向出现的周期性波浪状不平顺，是一种常见的钢轨磨损。钢

25、轨出现波磨，列车通过时引起走行部位附加垂直振动，列车的横向振动引起横向冲击力，直接关系到列车脱轨系数。在列车上安装光纤加速度传感器，采集车体振动信号，监测钢轨波磨及南其引起的列车横向振动。5）路基沉降监测。基于光纤布拉格光栅（FBG）位移传感器通过沉降板固定在路基的长螺旋钻孑L灌注桩（CFG）上，垂直安装，其上端面的水泥保护配重与路面压实在同一水平线上。当路基面沉降时，FBG位移传感器即可检测到沉降量。采用波分复用技术可对路基沉降进行多点准分布式监测，对不同路段的路基沉降量、沉降速度和整段线路的沉降不均匀性进行分析。6）道岔密贴监测。道岔密贴监测是借助转辙机中的缺口检测装置。缺口检测装置采用机

26、械传动，只能检测开关量不能检测位移量，误报警时不能识别，道岔密贴检测光纤位移传感系统提供了安全可靠的监测途径。利用其镜面反射原理，将机械位移转换为反射体的移动，接收到的光功率随反射体移动变化而变化，通过测量光电转换电路的输出电压实现位移测量，监测道岔是否密贴。7）火车健康检测。传感器采用表面安装方式，装于火车底部。一条光缆可安装多个传感器，采用金属或非金属封装传感器，可实现对火车底部应变，振动的关键区域监测，可监测轴承电动机的温度及实时监测转向架刹车片检测8）电力机车接触网温度监测。分布式光纤传感技术具有传感距离长、抗电磁干扰、监测精度高、易于组成监测网络等优点，有助于工程技术人员更好地掌握线

27、路应力变化，获得导线温度和应力变化规律，为采取预防结冰和除冰措施提供科学依据，最大程度减少灾害带来的损失。国外对光纤光栅传感器开展了理论与实践研究，在线路上安装了光纤光栅温度传感器对接触网温度进行监测。另外，采用脉冲激光扫描测距系统监测接触网电缆状态。将脉冲激光扫描测距系统安装在机车顶部，扫描检测接触网电缆并测量其几何参数，监测接触网电缆外形是否变形或下垂。9）车体倾斜（载重）监测。列车载重不平衡、轨道不平顺导致列车车体发生倾斜，严重时导致列车脱轨。利用FBG压力传感器检测同轴两个车轮对轨道的压力，监测列车载重平衡和车体倾斜。10）车体状态（应力、振动、温度）监测。基于FBG传感器的结构状态监洲系统安装在列车上，监测设备的振动情况和轨道状态，测量牟体表面温度和应力，以此评估牟体结构完整性。此外，FBG传感器还可安装在机车车辆底架上监测焊接部位、横梁等关键部位的振动，这些振动可转换成一种等效的疲劳指标，从而有效地判断牟体寿命。11）列车防撞预警及安全防护。7光纤传感器在军用航天的应用现代军用飞机,尤其高性能战斗机,是一个高度机动性、高度智能化的攻击武器空间载体。为了保证飞机高性能的稳定性和安全性,需要复杂的传感系统对飞机各个部位进行实时监测控制。飞机传感器系统中光纤传感技术的使用大致可包含四大部分:1.飞行控制系统用光纤传感器,主要包括光纤陀螺仪