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光纤传感器知识一览
发布时间:2020-06-12

光纤传感技术的发展始于20 世纪70 年代,是光电技术发展最活跃的分支之一。在以往都是电传感器时代,电传感器易受外界因素如电场、磁场等因素的影响、复用能力差、传输距离短、使用场合受限。因此,以光波为载体、以光纤为媒介的新型光纤传感器弥补了电传感器的不足,成为了传感器中的新秀。

光纤传感器具备独特的优势:

  • 体积小、重量轻、灵敏度高;
  • 频带宽,动态范围大;
  • 不受电磁场的干扰,信号在传输过程中抗电磁干扰能力强;
  • 绝缘性能好,适合于易燃、易爆对象的参数测量;
  • 光纤极细,可塑性好,几何形状具有多方面的适应性,可做成任意形状的传感器和传感器阵列;
  • 光纤传感器系统便于与计算机连接,实现多功能、智能化测量

典型的光纤传感器件包括光纤应变传感器、光纤位移传感器、光纤渗压计、光纤压力传感器及光纤温度传感器, 适于在医疗、航空航天、桥梁建筑、高温油井和国防等领域应用。

光纤传感器可从光纤传感原理、被测对象及信号调制方式等不同角度分类。

 

信号调制方式

光强调制型、偏振调制型和相位调制型

 

光强调制型一般工程测量中因结构简单、测量范围大而应用在精度要求不太高的场合较多。在对测量精度要求较高的场所则采用偏振和相位调制型

随着科学技术的高速发展,对传感器的精度、稳定性及小型化的要求越来越高。因此偏振调制型和相位调制型光纤传感器是目前研究和开发的主要对象。

相位调制型(干涉型)光纤传感器是利用待测量对光纤中传输光的相位进行调制,利用干涉技术进行解调的一种传感器。与其它调制型光纤传感器相比,相位调制型光纤传感器由于采用干涉技术而具有很高的检测灵敏度和分辨率。

光纤传感器中光的干涉是通过各种光纤干涉仪来实现的,目前主要采用三种不同结构的光纤干涉仪:

  • 马赫-曾德尔(Mach–Zehnder)干涉仪
  • 塞格纳克(Sagnac)干涉仪
  • 法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉

● 光纤传感器原理/结构示意图

 

法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉型传感器

F-P干涉型光纤传感器

 

Fabry-Perot(简称F-P)干涉型光纤传感器是一种采用单根光纤、利用多光束干涉原理来监测被测量的变化,克服了M-Z干涉仪和Sagnac 干涉仪结构光纤传感器中的偏振衰落现象,是目前历史最长、技术最为成熟、应用最为普遍的一种光纤传感器

● 多光束干涉原理图

● 光纤F-P腔压力传感器结构示意图

自从1988 年Lee 和Taylor首次成功制备了本征型法布里-珀罗干涉(intrinsic Fabry-Perot interferometric, IFPI) 光纤传感器和1991 年Murphy等首次成功制备了非本征型法布里-珀罗干涉 (extrinsic Fabry-Perot interferometric, EFPI) 光纤传感器以来,光纤法布里-珀罗型传感器逐渐成为光纤传感器家族中的重要成员。

加拿大FISO公司的白光干涉原理的F-P传感器与调理器,通过位于读数仪中的菲佐干涉仪来确定应变传感元件中法布里-珀罗腔的长度,该菲佐干涉仪能光学再现法布里-珀罗腔的长度,并在沿干涉仪一侧固定的高密度线性光电二极管阵列上对腔长数字化。该技术获得技术专利(美国专利号5,202,939),在国内大坝等岩土工程领域获得推广与应用。

● 白光干涉性F-P传感系统原理图

 

FISO公司F-P传感系统优点:

  • 光源为白光:无需校准的激光器。
  • 菲佐(Fizeau)干涉仪的测量原理不依赖于光强,因此光缆弯曲和长光缆是可接受的。
  • 测量原理是绝对的,互换读数仪不改变测量精度。
  • 高精度:应变计在某些情况下可以达到0.1微应变。
  • F-P光纤传感器不需要温度校正,与布拉格光栅光纤传感器相反,布拉格光栅应变计不可避免地受到温度影响,热光系数为每摄氏度约6微应变。
  • 提供温度补偿和非补偿的应变计:同时监测热效应和力学效应导致的应变,或者仅监测力学效应导致的应变。

 

F-P光纤传感主要应用

称重、煤矿、原油开采、燃气轮机和蒸汽轮机及飞机模型风洞试验

 

与其它类型光纤干涉传感器相比,法珀光纤传感器具有结构简单、灵敏度高、响应速度快、长期稳定性好、能在恶劣环境下工作等优点,因此被广泛应用于各类检测领域。

 

01

称重领域

称重领域是光纤压力传感器应用的一个方向,目前主要集中于动态称重方面的研究。动态称重指在汽车运动状态下称出其质量,利用光纤压力传感器进行称重已成为目前动态称重研究的重点。

传感器类型光纤压力传感器

 

02

煤矿领域

国内煤炭安全问题频出, 煤矿安全监控行业也逐渐被人们所重视, 先进而可靠的监控技术可以极大的提高和保障煤矿安全生产能效, 并且可以预测或预警事故的发生。光纤传感具有本质安全、耐腐蚀、漂移小、灵敏度高、使用寿命长并且便于与光纤环网通信系统融合等一系列独特优势, 已广泛应用于油井、电力、建筑等高危行业。同时光纤传感器也非常适用于煤矿井下单点或多点多参数检测, 是煤矿安全监控的理想选择。

传感器类型光纤压力传感器,光纤液压传感器,光纤应变传感器

 

03

原油领域

伴随新的技术的采用,也给用于提供井下地球物理信息的传感器提出了更加苛刻的要求。因此,对油藏和石油井下的一些关键的物理参数以及他们随着时间和空间的变化实时、在线的测量和监测就变得非常重要。比如对于海上油田,许多超深油井下的压强高达近百MPa,对传感器的工作压力范围也提出了极高的要求。

光纤传感测井技术是近年来国内外石油企业一直非常关注的测井技术,有着非常广阔的应用前景。现在普遍采用的电子式压力计,已满足不了测试需要,必须采用适用于高压环境的光纤式压力监测系统。

传感器类型光纤压力传感器,光纤温度传感器,光纤渗压计

 

04

燃气轮机和蒸汽轮机

在发电厂中,操作安全性和效率与工厂的长期使用寿命和性能直接相关。如果压力,温度和流量三个参数保持在适当范围内,则可以确保这一点。

温度是涡轮机安全性和性能的决定因素,但是这些部件的工作环境温度非常苛刻,特别是在高压压缩机的出口处和高压涡轮机的入口处。如果温度超过一定范围,会大幅增加压缩机叶片失效和部件损坏的风险。

另一个重要的因素是流量,因为读数直接进入涡轮机控制系统的性能计算。操作人员将使用流量测量来验证从工厂启动开始到控制日常操作的性能和效率。

传感器类型光纤温度传感器,光纤压力传感器光纤水位计,光纤渗压计

 

05

航空领域

飞机安全监测作为至关重要的一环,关系着航空事业的前途与未来。大气压力是监测飞机运行状态的关键参数之一,压力传感器的测量精度、实时性、稳定性直接影响着飞机的操作控制。光纤法珀压力传感器动态范围大、压力灵敏度高、精度高,非常适用于航空等复杂极端环境下的压力测量。一些研究人员基于光纤法珀传感和低相干干涉技术,搭建了光纤法珀多通道压力传感系统,对风洞中飞机模型的三个监测点进行五组飞行姿态变化的模拟仿真和压力测量实验。[刘畅,王双,梁应剑,等.光纤法珀压力传感系统设计与风洞初步实验[J].红外与激光工程,2018,47(7):0722002-1-0722002-7]

传感器类型光纤压力传感器

 

典型F-P光纤传感器

 

FOT光纤温度传感器

体积小巧、重复性好、适用于恶劣环境

 

FOT 温度传感器体积小巧、不受电磁/射频干扰(EMI/RFI)和闪电的影响、耐腐蚀、高精度和高可靠性,是恶劣环境下温度测量的最佳选择。FOT 光纤温度传感器基于高度稳定的玻璃的热膨胀,可实现精确、稳定和可重复的测量。

FOT-T

FOT-N

FOT 主要用于埋入在混凝土中或放置在露天中。它装有封装在PVC 或不锈钢防护套管内的法布里-珀罗光纤传感元件。

 

FOS光纤应变计

本质安全、不受闪电/电磁干扰/射频干扰的影响、静态/动态响应

 

FOS 光纤应变计是高性能应变测量的最佳选择。使用合适的工业级粘接剂把FOS安装在各种材料表面上,包括钢、混凝土和复合材料。这款应变计用来测量材料由于力学应力和温度效应引起的膨胀和收缩。

FOS

 

EFO埋入式光纤应变计

高分辨率、光纤应变计、静态和动态响应

 

EFO是一款埋入在混凝土中的光纤应变计,长70-mm。它由一根两端装有两个法兰盘的不锈钢管组成,法兰盘能更好地粘合混凝土。坚固耐用的不锈钢结构,不受电磁干扰(EMI)/射频干扰(RFI)和雷击的影响,EFO光纤应变计是为埋入混凝土而设计的。

EFO

 

FOD光纤位移传感器

高分辨率、本质安全、裂缝和接缝监测

 

FOD光学线性位置和位移传感器是一款绝对位置传感器,可提供高精度的位置和位移测量结果。

FOD

FOD是线性可变差动变压器(LVDT)的光纤版本,但与之不同的是,FOD不需要电信号和相关布线。FOD完全不受电磁干扰(EMI)和射频干扰(RFI)的影响,不存在电流泄漏或着火的风险。

 

FOP MicroPZ 微型渗压计

极小的体积、不受EMI/ RFI和闪电的影响、适用于恶劣环境

 

FOP MicroPZ 微型渗压计的设计基于微型MOMS (微光学机械系统)压力传感器的非接触挠度测量技术,制造MOMS压力传感器时采用了光刻技术。

FOP-MicroPZ

由于光纤读数仪或数据记录仪可以在各种温度、电磁干扰(EMI)、湿度和振动条件下一致而准确地测量腔长,因此该系统即使在最恶劣的条件下也能获得可靠的压力测量结果

FOP-MicroPZ渗压计是为工业和土木工程应用而设计,装有不锈钢保护套和一块多孔不锈钢透水石,从而确保它的机械坚固性,并且不锈钢透水石能保护传感元件不受固体颗粒的影响,从而只感测被测流体的压力。这款传感器包括外壳在内的总直径为4.8mm,总长度为54mm。

 

FOP光纤传感渗压计

高分辨率、孔隙水压力计、适用于恶劣环境

 

坚固耐用的FOP型孔隙水压力计(也叫渗压计)不受电磁干扰(EMI)/射频干扰(RFI)和闪电的影响,适合在恶劣环境中使用,它具有非常好的长期稳定性。

FOP

FOP光纤传感渗压计与传统的测量技术不同,其独特的设计基于不锈钢隔膜挠度的非接触测量技术。

 

光纤数据采集仪

 

EVO F-P 光纤传感器采集模块

高精度信号调理器、静态或动态测量、模块化,即插即用

 

可靠和高性能的法布里-珀罗(Fabry-Perot)光纤传感器采集模块,适合于实验室,土木工程和工业的应用。

EVO F-P 光纤传感器采集模块

主要特点

  • 静态或高达15 kHz 的动态测量
  • 应变、温度、压力和位移的测量
  • 使用SCAI 连接器的即插即用技术
  • 多项式测量系数
  • 用于配置和数据采集的Evolution 软件,采集频率高达5 k 样本/秒
  • 0-5V 的模拟输出/ 16 位的分辨率
  • 实耐宝 (Snap-on)TS35 DIN 导轨

 

FOR-1便携式单通道光纤信号读数仪

小型单通道光纤信号读数仪、压力、应变、位移和温度、坚固耐用、容易使用

 

FOR-1是一款单通道、电池供电的光纤信号读数仪,能够非常精确地测量压力、温度、应变和位移传感器。

FOR-1便携式单通道光纤信号读数仪

主要特点

  • 单通道
  • 背光液晶显示屏
  • 坚固耐用,容易使用
  • 电压输出和RS-232通讯端口
  • 体积小(1/8 DIN)

 

UMI多通道台式光纤数据记录仪

高精度、台式多通道数据记录仪、压力/应变/位移和温度

 

UMI是一款台式通用型光纤数据记录仪,非常适合在光纤传感器具有优势的应用中,进行多点的温度、压力、应变和位移测量

UMI多通道台式光纤数据记录仪

主要特点

  • 4个或 8 个通道
  • 坚固耐用,易于使用
  • 真空荧光大显示屏
  • 电压输出和RS-232 通讯接口
  • 采样频率高达 20 Hz

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