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        光纖光柵傳感器的開展趨勢及運用

        導讀:近年來,傳感器朝著活絡、準確、適應性強、細巧和智能化的方向開展。在這一過程中,光纖光柵傳感器這個傳感器宗族的新成員倍受青睞。光纖光柵傳感器的根本作業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效果后,導致光的光學性質(如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態等)發作改變,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。近年來,傳感器朝著活絡、準確、適應性強、細巧和智能化的方向開展。在這一過程中,光纖傳感器這個傳感器宗族的新成員倍受青睞。光纖具有許多優異的功能,例如:抗電磁干擾和原子輻射的功能,徑細、質軟、重量輕的機械功能;絕緣、無感應的電氣功能;耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學功能等,它能夠在人達不到的地方(如高溫區或許對人有害的區域,如核輻射區),起到人的耳目效果,并且還能超越人的生理界限,接收人的感官所感觸不到的外界信息。 

        根本作業原理及運用范疇 

        光纖光柵傳感器的根本作業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效果后,導致光的光學性質(如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態等)發作改變,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。 

        光纖光柵傳感器的運用于對磁、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丈量。光纖光柵傳感器的運用規模很廣,幾乎涉及國民經濟和國防上所有重要范疇和人們的日常日子,特別能夠安全有效地在惡劣環境中運用,解決了許多職業多年來一直存在的技能難題,具有很大的市場需求。主要表現在以下幾個方面的運用: 

        ● 城市建設中橋梁、大壩、油田等的干與陀螺儀和光柵壓力傳感器的運用。光纖光柵傳感器可預埋在混凝土、碳纖維增強塑料及各種復合資料中,用于測試應力松馳、施工應力和動荷載應力,然后評價橋梁短期施工階段和長時間營運狀態的結構功能。 

        ● 在電力體系,需求測定溫度、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,無法在這類場合中運用,只能用光纖光柵傳感器。散布式光纖溫度傳感器是近幾年開展起來的一種用于實時丈量空間溫度場散布的高新技能,散布式光纖溫度傳感體系不只具有遍及光纖傳感器的長處,還具有對光纖沿線各點的溫度的散布傳感才能,運用這種特色我們能夠接連實時丈量光纖沿線幾公里內各點溫度,定位精度可達米的量級,丈量精度可達1度的水平,非常適用大規模交點測溫的運用場合。 

        光纖光柵傳感器的分類 

        光纖光柵傳感器可分兩大類:一類是功能型(傳感型)傳感器;另一類對錯功能性(傳光型)傳感器。 

        功能型傳感器是運用光纖自身的特性把光纖作為活絡元件,被丈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作改變,現經過被調制走的傳導進行解調,然后得出被測信號。 

        光纖在其間不只是導光媒質,并且也是活絡元件,光在光纖內被丈量調制,多選用多模光纖。 

        長處:結構緊湊,活絡度度。缺點:須用特別光纖,本錢高。典型比如:光纖陀螺、光纖水聽器等。 

        非功能型傳感器是運用其它活絡元件感觸被丈量的改變,光纖僅作為信息的傳輸介質,常選用單模光纖。光纖在其間僅起導光效果,光照在光纖型活絡元件上被丈量調制。

        長處:無需特別光纖及其他特別技能,比較簡單完成,本錢低。缺點:活絡度較低。實用化的大都對錯功能型的光纖傳感器 

        現在光纖傳感器已經有70多種,光纖聲傳感器是一種運用光纖自身的傳感器。當光纖受到一點很細小的外力效果時,就會發作微曲折,而其傳光才能發作很大的改變。聲響是一種機械波,它對光纖的效果就是使光纖受力并發作曲折,經過曲折就能夠得到聲響的強弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種。與激光陀螺相比,光纖陀螺活絡度高,體積小,本錢低,能夠用于飛機、艦船、導彈等的高功能慣性民航體系。 

        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運用熒光免疫競賽原理完成對剖析物的檢測。Shriver-Lake等人開展了一種適合于多目標檢測的熒光光纖傳感器,選用免疫競賽辦法可一起檢測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外表,熒光標記抗原與自在抗原在光纖外表進行免疫競賽,經過檢測熒光強度的改變,可定量檢測爆炸物的體積分數。需求指出的是,雖然熒光光纖生物傳感器具有活絡度高、選擇性好等長處,但運用穩定性差是其難以克服的缺點。 

        跟著新的熒光活絡資料的呈現,爆炸物的熒光檢測辦法也在不斷開展。Swager小組運用微納米顆粒資料比外表大的特色,運用層層組裝技能將共軛熒光高分子固定于微球外表,制成了可對硝基芳烴類炸藥完成活絡檢測的功能熒光微球資料,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資料設計新思想,制備了十余種新型傳感薄膜資料,已完成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非;罱j,其活絡度可與共軛熒光高分子薄膜相媲美,展現出很好的運用開發遠景。能夠預期,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活絡快速檢測方面獲得際運用。 

        散布式光纖監測技能 

        20世紀70年代,光纖監測技能伴跟著光導纖維及光纖通信技能的開展而敏捷開展起來。與傳統的監測技能相比,光纖監測技能有一系列獨特的長處: 

        ● 光纖傳感器以光信號作為載體,光纖為媒質,光纖的纖芯資料為二氧化硅,因而,該傳感器具有耐腐蝕、抗電磁干擾、防雷擊等特色,屬實質安全。 

        ● 光纖自身輕細纖柔,光纖傳感器的體積小、重量輕,不只限于布設設備,并且對埋調部位的資料功能和力學參數影響甚小,能完成無損埋設。 

        ● 活絡度高,可靠性好,運用壽命長。散布式光纖監測技能除了具有以上的特色外,還具有以下兩個明顯的長處:能夠準確地測出光纖沿線任一點的監丈量,信息量大,效果直觀;光纖既作為傳感器,又作為傳輸介質,結構簡單,不只方便施工,潛在故障大大低于傳統技能,可維護性強,并且功能價格比好。 

        散布式光纖經久耐用,安全可靠,由它構成的網絡能夠遍及壩體,這些光纖網絡猶如神經體系,能夠感知壩體各部位相關信息,大壩因而而有望成為一種機敏結構。散布式光纖監測技能是今世高科技的結晶,是一種抱負的大壩安全監測體系,廣闊安全監測作業者應予以活躍推行。 

        光纖測溫技能 

        光纖測溫技能是近年才開展起來的新技能,并已逐步顯露出某些優異特性?墒,正象其他新技能相同,光纖測溫技能并不是全能的,它不是用來替代傳統辦法,而是對傳統測溫辦法的補充與進步。充分發揮它的特長,就能發明出新的測溫計劃與技能運用的場合,如下所述: 

        ● 強電磁場下的溫度丈量。高頻與微波加熱辦法受到人們重視,正在向如下范疇逐步擴展:金屬的高頻熔煉、焊接與淬火、橡膠的硫化、木材與織物的烘干以及制藥、化工,乃至家庭烹調等。光纖測溫技能在這些范疇中有著絕對優勢,因為它既無導電部分引起的附加升溫,又不受電磁場的干擾。 

        ● 高壓電器的溫度丈量。最典型的運用是高壓變壓器繞阻熱門的溫度丈量。英國電能研究中心從20世紀70年代中期就開始潛心研究這一課題,起先是為了故障診斷與預告,后來又用于計算機電能管理的運用,轉入了安全過載運行,使體系處于最佳功率分配狀態。另一類運用的場合是各種高壓設備,如發電機、高壓開關、過載保護設備,乃至架空電力線和地下電纜等。 

        ● 易燃易爆物的生產過程與設備的溫度丈量。光纖傳感器在實質上是防火防爆器件,它不需求選用隔爆措施,非常安全可靠。與電學傳感器相比,既能降低本錢又能進步活絡度。例如,大型化工廠的反應罐作業在高溫高壓狀態,反應罐外表溫度特性的實時監測可保證其正確作業,將光纖沿反應罐外表鋪設成感溫網格,這樣任何熱門都能被監控,可有效地預防事故發作。 

        ● 高溫介質的溫度丈量。在冶金工業中,當溫度高于1300℃或1700℃時,或許溫度雖不高但運用條件惡劣時,尚存在許多測溫難題。充分發揮光纖測溫技能的優勢,其間有些難題可望得到解決。例如,鋼液、鐵液及相關設備的接連測溫問題,高爐爐體的溫度散布等,有關這類研究國內外都正在進行之中。 

        ● 橋梁安全檢測。國內涵大橋安全檢測項目中,選用了光纖光柵傳感器,檢測大橋在各種情況下的應力應變和溫度改變情況。在大橋選定的端面上布設了8個光纖光柵應變傳感器和4個光纖光柵溫度傳感器,其間8個光纖光柵應變傳感器串接為1路,4個溫度傳感器串接為1路,然后由光纖傳輸到橋管所,完成大橋的集中管理。從測試成果來看,光纖光柵傳感器所獲得的測試數據與預期成果共同。 

        ● 鋼液澆鑄檢測。連鑄機在澆鑄時,為避免鋼液被氧化、進步質量,期望鋼液在與空氣徹底阻隔的狀態下,從大包流到中間包。但實際上,在大包澆鑄完時,是由操作員目視判別渣是否流出,因而在大包澆鑄完畢前5~10分鐘之間,密閉狀態已損壞。為了避免鑄坯質量劣化及錯誤判別漏渣,研制出光纖漏渣檢測設備。


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