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            常州智有機電科技有限公司智有機電

            楊兵
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            www.quanhuisl.com
            常州市新北區漓江路15號

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            專注光纖傳感與電力設備自動化保護

            光纖傳感器發展趨勢

            發布時間:2020-11-12
            近年來,傳感器朝著靈敏、準確、適應性強、小巧和智能化的方向發展。在這一過程中,光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優異的性能,例如:抗電磁干擾和原子輻射的性能,徑細、質軟、重量輕的機械性能絕緣、無感應的電氣性能耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等,它能夠在人達不到的地如高溫區或者對人有害的地區,如核輻射區,起到人的耳目作用,而且還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。
            基本工作原理及應用領域:
             
             光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經過光纖送入調制器,使待測參數與進入調制區的光相互作用后,導致光的光學性質如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態等發生變化,稱為被調制的信號光,在經過光纖送入光探測器,經解調后,獲得被測參數。
            光纖傳感器的應用于對磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉矩、光聲、電流和應變等物理量的測量。光纖傳感器的應用范圍很廣,幾乎涉及國民經濟和國防上所有重要領域和人們的日常生活,尤其可在安全有效的惡劣環境中使用,解決了許多行業多年來一直存在的技術難題,具有很大的市場需求。主要表現在以下幾個方面的應用:
             
             城市建設中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應用。光纖傳感器可預埋在混凝土、碳纖維增強塑料及各種復合材料中,用于測試應力松馳、施工應力和動荷載應力,從而評估橋梁短期施工階段和長期營運狀態的結構性能。
             
             在電力系統,需要測定溫度、電流等參數,如對高壓變壓器和大型電機的定子、轉子內的溫度檢測等,由于電類傳感器易受電磁場的干擾,無法在這類場合中使用,只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發展起來的一種用于實時測量空間溫度場分布的高新技術,分布式光纖溫度傳感系統不僅具有普遍光纖傳感器的優點,還具有對光纖沿線各點的溫度的分布傳感能力,利用這種特點我們可以連續實時測量光纖沿線幾公里內各點溫度,定位精度可達米的量級,測量精度可達度的水平,非常適用大范圍交點測溫的應用場合。
             
            光纖傳感器的分類:
             
            光纖傳感器可分兩大類:一類是功能型傳感型傳感器,另一類是非功能性傳光型傳感器。
            功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件,被測量對光纖內傳輸的光進行調制,使傳輸的光的強度、相位、頻率或偏振態等特性發生變化,現通過被調制走的傳導進行解調,從而得出被測信號。
            光纖在其中不僅是導光媒質,而且也是敏感元件,光在光纖內被測量調制,多采用多模光纖。
            優點:結構緊湊,靈敏度度。缺點:須用特殊光纖,成本高。典型例子:光纖陀螺、光纖水聽器等。
            非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化,光纖僅作為信息的傳輸介質,常采用單模光纖。光纖在其中僅起導光作用,光照在光纖型敏感元件上被測量調制。優點:無需特殊光纖及其他特殊技術,比較容易實現,成本低。缺點:靈敏度較低。實用化的大都是非功能型的光纖傳感器,目前光纖傳感器已經有70多種,光纖聲傳感器是一種利用光纖自身的傳感器。當光纖受到一點很微小的外力作用時,就會產生微彎曲,而其傳光能力發生很大的變化。聲音是一種機械波,它對光纖的作用就是使光纖受力并產生彎曲,通過彎曲就能夠得到聲音的強弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種。與激光陀螺相比,光纖陀螺靈敏度高,體積小,成本低,可以用于飛機、艦船、導彈等的高性能慣性民航系統。
            熒光光纖傳感器與化學傳感器不同,光纖生物傳感器主要是利用熒光免疫競爭原理實現對分析物的檢測。Shriver-Lake等人發展了一種適合于多目標檢測的熒光光纖傳感器,采用免疫競爭方法可同時檢測TNT和RDX(三次甲基三硝基胺)兩種爆炸物。他們將抗體固定在光纖表面,熒光標記抗原與自由抗原在光纖表面進行免疫競爭,通過檢測熒光強度的變化,可定量檢測爆炸物的體積分數。需要指出的是,雖然熒光光纖生物傳感器具有靈敏度高、選擇性好等優點,但使用穩定性差是其難以克服的缺陷。
            隨著新的熒光敏感材料的出現,爆炸物的熒光檢測方法也在不斷發展。Swager小組利用微納米顆粒材料比表面大的特點,利用層層組裝技術將共軛熒光高分子固定于微球表面,制成了可對硝基芳烴類炸藥實現靈敏檢測的功能熒光微球材料,并形象地稱其為“智能砂子”。針對共軛熒光高分子薄膜熒光傳感器的局限性,提出了以固定化多環芳烴的超分子行為為基礎的傳感薄膜材料設計新思想,制備了十余種新型傳感薄膜材料,已實現了對有機二酸等的選擇性檢測。實驗發現,在這些薄膜中,芘功能化薄膜對空氣中硝基芳烴類化合物的存在十分敏感,其靈敏度可與共軛熒光高分子薄膜相媲美,展現出很好的應用開發前景??梢灶A期,薄膜熒光傳感器所具有的巨大優勢必將使其在硝基芳烴類炸藥的超靈敏快速檢測方面獲得際應用。
            分布式光纖監測技術
             20世紀70年代,光纖監測技術伴隨著光導纖維及光纖通信技術的發展而迅速發展起來。與傳統的監測技術相比,光纖監測技術有一系列獨特的優點:
            光纖傳感器以光信號作為載體,光纖為媒質,光纖的纖芯材料為二氧化硅,因此,該傳感器具有耐腐蝕、抗電磁干擾、防雷擊等特點,屬本質安全。
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