振動光纖傳感器：光纖傳感器
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光纖傳感器
（光信號的傳感器）
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本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目
審核
。
光纖傳感器是一種將被測對象的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y的光信號的傳感器。光纖傳感器的工作原理是將光源入射的光束經(jīng)由光纖送入調制器，在調制器內與外界被測參數(shù)的相互作用， 使光的光學性質如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化，成為被調制的光信號，再經(jīng)過光纖送入光電器件、經(jīng)解調器后獲得被測參數(shù)。整個過程中，光束經(jīng)由光纖導入，通過調制器后再射出，其中光纖的作用首先是傳輸光束，其次是起到光調制器的作用。
[1]
中文名
光纖傳感器
外文名
fibre optic sensor
直 徑
125 μm
壓力范圍
±300 mmHg
決 心
<0.4 mmHg
零熱效應
0.4 mmHg / °C
運行溫度
10 – 50°C
特 點
安裝簡單，電路連接更簡單容易
目錄
1
發(fā)展方向
2
原理
3
性能
4
特點
5
分類
?
功能型
?
非功能光纖型
?
布拉格光柵
?
傳光型光纖
6
應用
7
案例
?
土木工程領域
?
檢測技術
?
石油工業(yè)
?
溫度測量
?
楊氏模量
8
環(huán)境分析
9
行業(yè)分析
10
組成結構
11
發(fā)展前景
光纖傳感器發(fā)展方向
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語音
傳感器在朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員備受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：具有抗電磁和原子輻射干擾的性能，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方（如高溫區(qū)），或者對人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，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。特點1、因反射體中使用了棱鏡，所以與通用的反射型光控傳感器器相比，其檢測性能更高、更可靠2 、與分離式光控傳感器相比，電路連接更簡單容易。3、 子母扣嵌入式的設計，安裝更為簡單用途1、用于電話、網(wǎng)絡寬帶等數(shù)字型號傳輸。2、用于自動售貨機、金融終端有關的設備、點鈔機的紙幣、卡、硬幣、存折等的通過情況3、用于自動化設備上產(chǎn)品定位、計數(shù)、識別。
[2]
光纖傳感器原理
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語音
光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調制器，使待測參數(shù)與進入調制區(qū)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、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調制的信號光，再利用被測量對光的傳輸特性施加的影響，完成測量。光纖傳感器的測量原理有兩種。（1）物性型光纖傳感器原理，物性型光纖傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調制的光信號。其工作原理基于光纖的光調制效應，即光纖在外界環(huán)境因素，如溫度、壓力、電場、磁場等等改變時，其傳光特性，如相位與光強，會發(fā)生變化的現(xiàn)象。因此，如果能測出通過光纖的光相位、光強變化，就可以知道被測物理量的變化。這類傳感器又被稱為敏感元件型或功能型光纖傳感器。激光器的點光源光束擴散為平行波，經(jīng)分光器分為兩路，一為基準光路，另一為測量光路。外界參數(shù)(溫度、壓力、振動等)引起光纖長度的變化和相位的光相位變化，從而產(chǎn)生不同數(shù)量的干涉條紋，對它的模向移動進行計數(shù)，就可測量溫度或壓等。（2）結構型光纖傳感器原理，結構型光纖傳感器是由光檢測元件(敏感元件)與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。
[2]
光纖傳感器性能
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語音
光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：具有抗電磁和原子輻射干擾的性能，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方，或者對人有害的地區(qū)(如核輻射區(qū))，起到人的耳目的作用，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。
[2]
光纖傳感器特點
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語音
一、靈敏度較高；二、幾何形狀具有多方面的適應性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；三、可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉等）的器件；四、可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境；五、而且具有與光纖遙測技術的內在相容性。光纖傳感器的優(yōu)點是與傳統(tǒng)的各類傳感器相比，光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質，具有光纖及光學測量的特點，有一系列獨特的優(yōu)點。電絕緣性能好，抗電磁干擾能力強，非侵入性，高靈敏度，容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控，耐腐蝕，防爆，光路有可撓曲性，便于與計算機聯(lián)接。傳感器朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發(fā)展，它能夠在人達不到的地方（如高溫區(qū)或者對人有害的地區(qū)，如核輻射區(qū)），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。
[2]
光纖傳感器分類
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語音
根據(jù)光受被測對象的調制形式可以分為：強度調制型、偏振態(tài)制型、相位制型、頻率制型；根據(jù)光是否發(fā)生干涉可分為：干涉型和非干涉型；根據(jù)是否能夠隨距離的增加連續(xù)地監(jiān)測被測量可分為：分布式和點分式；根據(jù)光纖在傳感器中的作用可以分為：一類是功能型（Functional Fiber，縮寫為FF)傳感器，又稱為傳感型傳感器； 另一類是非功能型（Non Functional Fiber縮寫為NFF)，又稱為傳光型傳感器。
[3]
光纖傳感器功能型
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?shù)墓膺M行調制， 使傳輸?shù)墓獾膹姸取⑾辔弧㈩l率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化， 再通過對被調制過的信號進行解調， 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，光在光纖內受被測量調制，多采用多模光纖。優(yōu)點：結構緊湊、靈敏度高。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。
[3]
光纖傳感器非功能光纖型
非功能型光纖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受被測量調制。優(yōu)點：光纖即可用于電氣隔離，有用于數(shù)據(jù)傳輸，且光纖傳輸?shù)男盘柌皇茈姶鸥蓴_的影響。實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。AnyWay的變頻電壓傳感器、變頻電流傳感器、變頻功率傳感器（一種電壓、電流組合式傳感器）就屬于非功能型的光纖傳感器，在復雜電磁環(huán)境下的電量測量中，有其獨到的優(yōu)勢。光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術，可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測量技術難以完成的測量任務。在狹小的空間里，在強電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。光纖傳感器有70多種，大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。所謂光纖自身的傳感器，就是光纖自身直接接收外界的被測量。外接的被測量物理量能夠引起測量臂的長度、折射率、直徑的變化，從而使得光纖內傳輸?shù)墓庠谡穹⑾辔弧㈩l率、偏振等方面發(fā)生變化。測量臂傳輸?shù)墓馀c參考臂的參考光互相干涉（比較），使輸出的光的相位(或振幅)發(fā)生變化，根據(jù)這個變化就可檢測出被測量的變化。光纖中傳輸?shù)南辔皇芡饨缬绊懙撵`敏度很高，利用干涉技術能夠檢測出10的負4次方弧度的微小相位變化所對應的物理量。利用光纖的繞性和低損耗，能夠將很長的光纖盤成直徑很小的光纖圈，以增加利用長度，獲得更高的靈敏度。光纖聲傳感器就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(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力發(fā)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(chǎn)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導航系統(tǒng)。。
[3]
光纖傳感器布拉格光柵
光纖布拉格光柵傳感器的工作原理
光纖布拉格光柵傳感器（FBS）是一種使用頻率最高，范圍最廣的光纖傳感器，這種傳感器能根據(jù)環(huán)境溫度以及/或者應變的變化來改變其反射的光波的波長。光纖布拉格光柵是通過全息干涉法或者相位掩膜法來將一小段光敏感的光纖暴露在一個光強周期分布的光波下面。這樣光纖的光折射率就會根據(jù)其被照射的光波強度而永久改變。這種方法造成的光折射率的周期性變化就叫做光纖布拉格光柵。當一束廣譜的光束被傳播到光纖布拉格光柵的時候，光折射率被改變以后的每一小段光纖就只會反射一種特定波長的光波，這個波長稱為布拉格波長，這種特性就使光纖布拉格光柵只反射一種特定波長的光波，而其它波長的光波都會被傳播。按光纖在光纖傳感器中的作用可分為傳感型和傳光型兩種類型。傳感型光纖傳感器的光纖不僅起傳遞光作用，同時又是光電敏感元件。由于外界環(huán)境對光纖自身的影響，待測量的物理量通過光纖作用于傳感器上，使光波導的屬性(光強、相位、偏振態(tài)、波長等)被調制。傳感器型光纖傳感器又分為光強調制型、相位調制型、振態(tài)調制型和波長調制型等。
[3]
光纖傳感器傳光型光纖
傳光型光纖傳感器是將經(jīng)過被測對象所調制的光信號輸入光纖后，通過在輸出端進行光信號處理而進行測量的，這類傳感器帶有另外的感光元件對待測物理量敏感，光纖僅作為傳光元件，必須附加能夠對光纖所傳遞的光進行調制的敏感元件才能組成傳感元件。光纖傳感器根據(jù)其測量范圍還可分為點式光纖傳感器、積分式光纖傳感器、分布式光纖傳感器三種。其中，分布式光纖傳感器被用來檢測大型結構的應變分布，可以快速無損測量結構的位移、內部或表面應力等重要參數(shù)。用于土木工程中的光纖傳感器類型主要有Math-Zender干涉型光纖傳感器，F(xiàn)abry-pero腔式光纖傳感器，光纖布喇格光柵傳感器等。光纖傳感器的輕巧性、耐用性和長期穩(wěn)定性，使其能夠方便的應用于建筑鋼結構和混凝土等各種建筑材料的內部應力、應變檢測。實現(xiàn)的建筑結構的健康檢測。光纖傳感器的另外一個大類是利用光纖的傳感器。其結構大致如下：傳感器位于光纖端部，光纖只是光的傳輸線，將被測量的物理量變換成為光的振幅，相位或者振幅的變化。在這種傳感器系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的傳感器和光纖相結合。光纖的導入使得實現(xiàn)探針化的遙測提供了可能性。這種光纖傳輸?shù)膫鞲衅鬟m用范圍廣，使用簡便，但是精度比第一類傳感器稍低。光纖在傳感器家族中是后起之秀，它憑借著光纖的優(yōu)異性能而得到廣泛的應用，是在生產(chǎn)實踐中值得注意的一種傳感器。光纖傳感器憑借著其大量的優(yōu)點已經(jīng)成為傳感器家族的后起之秀，并且在各種不同的測量中發(fā)揮著自己獨到的作用，成為傳感器家族中不可缺少的一員。
[3]
光纖傳感器應用
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語音
絕緣于污穢、磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉矩、光聲、電流，光纖傳感器可用于位移、震動、轉動、壓力、彎曲、應變、速度、加速度、電流、磁場、電壓、濕度、溫度、聲場、流量、濃度、PH值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(jīng)濟和國防上所有重要領域和人們的日常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環(huán)境中使用，解決了許多行業(yè)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(xiàn)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，用于測試應力松弛、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(tài)的結構性能。在電力系統(tǒng)，需要測定溫度、電流等參數(shù)，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(fā)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(tǒng)不僅具有普遍光纖傳感器的優(yōu)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(xù)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1度的水平，非常適用大范圍交點測溫的應用場合。此外，光纖傳感器還可以應用于鐵路監(jiān)控、火箭推進系統(tǒng)以及油井檢測等方面。光纖同時具備寬帶、大容量、遠距離傳輸和可實現(xiàn)多參數(shù)、分布式、低能耗傳感的顯著優(yōu)點。光纖傳感可以不斷汲取光纖通信的新技術、新器件，各種光纖傳感器有望在物聯(lián)網(wǎng)中得到廣泛應用。
[4]
光纖傳感器案例
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語音
光纖傳感器土木工程領域
隨著光纖傳感器技術的發(fā)展，在土木工程領域光纖傳感器得到了廣泛的應用，用來測量混凝土結構變形及內部應力，檢測大型結構、橋梁健康狀況等，其中最主要的都是將光纖傳感器作為一種新型的應變傳感器使用。光纖傳感器可以黏貼在結構物表面用于測量，同時也可以通過預埋實現(xiàn)結構物內部物理量的測量。利用預先埋入的光纖傳感器，可以對混凝土結構內部損傷過程中內部應變的測量，再根據(jù)荷載－應變關系曲線斜率，可確定結構內部損傷的形成和擴展方式。通過混凝土實驗表明，光纖測試的載荷－應變曲線比應變片測試的線性度高。
[5]
光纖傳感器檢測技術
光纖傳感器在航天（飛機及航天器各部位壓力測量、溫度測量、陀螺等）、航海（聲納等）、石油開采（液面高度、流量測量、二相流中空隙度的測量）、電力傳輸（高壓輸電網(wǎng)的電流測量、電壓測量）、核工業(yè)（放射劑量測量、原子能發(fā)電站泄露劑量監(jiān)測）、醫(yī)療（血液流速測量、血壓及心音測量）、科學研究（地球自轉）等眾多領域都得到了廣泛應用。
[5]
光纖傳感器石油工業(yè)
在石油測井技術中，可以利用光纖傳感器實現(xiàn)井下石油流量、溫度、壓力和含水率等物理量的測量。較成熟的應用是采用非本征光纖F—P腔傳感器測量井下的壓力和溫度。非本征光纖F-P腔傳感器利用光的多光束干涉原理，當被測的溫度或者壓力發(fā)生變化時干涉條紋改變，光纖F—P腔的腔長也隨之發(fā)生變化，通過計算腔長的變化實現(xiàn)溫度和壓力的測量。
[5]
光纖傳感器溫度測量
光纖傳感技術是伴隨光通信的迅速發(fā)展而形成的新技術。在光通信系統(tǒng)中，光纖是光波信號長距離傳輸?shù)拿劫|。當光波在光纖中傳輸時，表征光波的相位、頻率、振幅、偏振態(tài)等特征參量，會因溫度、壓力、磁場、電場等外界因素的作用而發(fā)生變化，故可以將光纖用作傳感器元件，探測導致光波信號變化的各種物理量的大小，這就是光纖傳感器。利用外界因素引起光纖相位變化來探測物理量的裝置，稱為相位調制傳感型光纖傳感器，其他還有振幅調制傳感型、偏振態(tài)調制型、傳光型等各種光纖傳感器。
[5]
光纖傳感器楊氏模量
采用傳感器測量儀代替光杠桿鏡尺組組成新的楊氏模量測量系統(tǒng)，不僅操作簡短，而且提高了測量結果的精確度和準確度。金屬絲傳統(tǒng)的拉伸法的基本原理是將金屬絲受到砍碼的作用力后的微小伸長形變量通過鏡尺組的光路轉換而將之放大若干倍數(shù)，從而得到微小伸長，再通過計算得到楊氏模量值。而自從有了傳感器，我們把光纖傳感器測量新方法和上述方法對比，光纖傳感器的測量在靈敏度、精確度及準確度上都有提高。紅外光測距系統(tǒng)測量的基本原理為采用紅外光光纖傳感器直接測量微小位移，紅外光光纖傳感器對于3mm以內的微小距離測量的線性度是非常高的。系統(tǒng)由傳感器測量儀與反射式光纖位移傳感器組成．反射式光纖位移傳感器的工作原理是采用兩束多模光纖，一端合并組成光纖探頭，另一端分為兩束，分別作為接收光纖和光源光纖。當光發(fā)射器發(fā)生的紅外光，經(jīng)光源光纖照射至反射體，被反射的光經(jīng)接收光纖，傳至光電轉換元件將接收到的光信號轉換為電信號。其輸出的光強與反射體距光纖探頭的距離之間存在一定的函數(shù)關系，所以可通過對光強的檢測得到位移量。在楊氏模量儀的金屬絲處的圓柱體上利用磁鐵固定鍍鎳反射金屬片，使其能隨鋼絲伸長而移動。在支架臺上固定紅外傳感器，而后在傳感器測量儀上通過改變位移將實驗得到的電勢差值，通過多次測試，既轉動傳感器測量儀自帶的螟旋測微儀，也即改變探頭與金屬片的距離和位置，當出現(xiàn)實驗記錄的鋼絲仲長所對應的電勢差值時，記錄此時的螺旋測微儀讀數(shù)。測試表明采用紅外光測距此方法操作簡單。只需將探頭和反射片安裝好后就可以直接開始在托盤上加法碼實際測量了，側量的結果是明顯優(yōu)于傳統(tǒng)測試。
[4]
光纖傳感器環(huán)境分析
編輯
語音
隨著中國工業(yè)自動化應用環(huán)境的不斷發(fā)展，儀器儀表行業(yè)日新月異，當前儀器儀表行業(yè)面臨新的發(fā)展，這一行業(yè)的十二五規(guī)劃(草案)，也根據(jù)新時期的要求，提出了重點發(fā)展的若干關鍵技術，這對行業(yè)未來發(fā)展無疑有著重要的指導意義。新型傳感器技術包括固態(tài)硅傳感器技術、光纖傳感技術、生物芯片技術、基因芯片技術、圖像傳感器技術、全固態(tài)慣性傳感器技術等。“十二五”將以智能傳感器作為重點，進行關鍵技術攻關。在光纖傳感領域，重點發(fā)展新原理、新效應的傳感技術，傳感器智能技術，傳感器網(wǎng)絡技術，微型化和低功耗技術以及傳感器陣列及多功能多參數(shù)設計、制造和封裝技術。目前有數(shù)百個單位在這一領域開展工作，如清華大學、復旦大學、天津大學、重慶大學、北京航空航天大學等，他們在光纖溫度傳感器、壓力計、流量計、液位計、電流計等領域進行了大量研究。此外，在武漢、上海、廣東、深圳等地，還建立了許多光纖無源器件生產(chǎn)廠家，市場規(guī)模達到1200億元以上。(一)影響行業(yè)發(fā)展的有利因素分析國家科委于1987年4月制定的《傳感器發(fā)展政策》白皮書確定了必須大力發(fā)展傳感器技術，特別是要把新型傳感器技術作為優(yōu)先領域予以發(fā)展。1991年 12月30日《中共中央關于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的十年規(guī)劃和八五計劃的建議》中第21條明確了要大力加強傳感器的開發(fā)和在國民經(jīng)濟中的普遍應用。(二)影響行業(yè)發(fā)展的不利因素分析雖然光纖傳感器技術在實際檢測中取得了一些應用，但仍存在一些問題，如光纖埋入結構的工藝問題，雖然可以通過安裝方式得到改善，但同時也導致了應變要先經(jīng)過金屬傳遞，然后再由光纖間接感應到應變，因此需要通過實驗修正才能夠進行準確測量。同時光纖傳感器的輸出信號會受到光源波動、光纖傳輸損耗變化、探測器老化等因素的影響，這些因素都會降低光纖傳感器測量的準確性。再者目前光纖傳感器實用性還有待開發(fā)，同時其制作成本相當昂貴。目前光纖傳感器很大一部分產(chǎn)品還在實驗室階段，因此需要將實驗結果盡快投入到使用中去。隨著市場逐漸開放和中國投資環(huán)境的改善以及全球化經(jīng)濟的進程加速，各國傳感器廠家紛紛進入中國市場，這加劇了市場的競爭。中國本土傳感器技術水平與世界水平相比仍存在很大差距，這種差距一方面表現(xiàn)為傳感器在感知信息方面的落后，另一方面則表現(xiàn)為傳感器自身在智能化和網(wǎng)絡化方面的技術落后。國產(chǎn)企業(yè)形成了“外強中干”的局面，不僅失去了中高端產(chǎn)品市場，而且直接導致自己能生產(chǎn)的產(chǎn)品品種單一，同質化嚴重，國產(chǎn)傳感器價格優(yōu)勢明顯，但質量上與國外產(chǎn)品相比仍存在一定差距，一般應用在對信號要求不高的區(qū)域。
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光纖傳感器行業(yè)分析
編輯
語音
光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調制器，使待測參數(shù)與進入調制區(qū)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、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調后，獲得被測參數(shù)。由于在傳統(tǒng)終端市場的應用可能性擴大以及新應用領域的新興機會所推動，2013年全球光纖傳感器市場規(guī)模為18.9億美元。預計，到2020年，全球光纖傳感器市場預計達35億美元（約合人民幣217.2億元）。傳統(tǒng)終端市場包括航空航天、國防、石油天然氣開采、基礎設施發(fā)展和電信行業(yè)。傳統(tǒng)終端市場的發(fā)展將繼續(xù)推進全球光纖傳感器市場的增長。通信行業(yè)從3G到4G網(wǎng)絡的持續(xù)過渡、關注智能結構的增長、基礎設施建設的新興增長、石油天然氣領域的發(fā)展都為市場增長提供了重要機遇。尤其是在新興市場中，如中國和印度，增長的制造活動、上升的汽車需求、穩(wěn)定的基礎設施建設活動以及國防支出的增加，都成為全球光纖傳感器行業(yè)發(fā)展的驅動因素。
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光纖傳感器組成結構
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語音
光纖傳感器網(wǎng)的三種基本構成。光纖傳感器網(wǎng)有三種基本構成，其中一個叫單點式傳感器。一根光纖在這里僅僅起到傳輸?shù)淖饔茫硗庖环N叫多點式傳感器，在這里一根光纖把很多傳感器串起來，這樣很多傳感器可以共用光源實現(xiàn)網(wǎng)絡性監(jiān)測。再有就是智能光纖傳感器。多點式光纖傳感器，從外表看就是一節(jié)光柵，通過紫外線照射發(fā)現(xiàn)有周期性的間隔。當有光纖入射的時候，如果光纖的波長正好等于間隔的兩倍，那么這個光波將會受到強烈的反射，而如果光纖受到溫度變化或者應變等等，這個反射波長將會發(fā)生變化，這種傳感器在一根光纖上可以做很多個，把它連接起來就可以用于各種各樣的傳感應用。因為光纖是軟的，它可以兩維、三維，所以橫軸是空間的位置，縱軸是測量對象。這樣一個傳感網(wǎng)解決了什么問題呢?它解決了在什么位置上發(fā)生了什么事情，那個事情有多少個強度的問題，也就是提供了兩維的信息。這就是智能光纖傳感器所需要解決的問題，它有非常突出的特點要求，包括體積小、強度高、穩(wěn)定性好，可植入材料中。抗電磁干擾、耐環(huán)境。
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光纖傳感器已經(jīng)成功應用于飛機結構監(jiān)測。我們看到A-380和波音787，它們的特點是超過一半數(shù)量是碳纖維，比如說碳纖維符合樹脂有幾種缺失，一個是層與層之間的剝離，由于這種材料比較強，所以很難像鋁合金材料那樣實行碳酸檢測，所以研究人員現(xiàn)在開始研究把光纖傳感器埋到復合材料當中去，由于這種材料一層大概125微米的厚度，所以這種光纖傳感器必須是特別細小的光纖傳感器，大概直徑在50個微米左右。我們說光纖傳感器網(wǎng)可以成為安全安心社會的神經(jīng)網(wǎng)。光纖傳感器網(wǎng)可以用于光纖通訊網(wǎng)的診斷技術。光纖傳感器網(wǎng)在安防方面已經(jīng)有很多的應用，國內有很多企業(yè)在這方面開展了卓有成效的工作。
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光纖傳感器發(fā)展前景
編輯
語音
國內市場上，應用最為廣泛的光纖傳感技術當屬布拉格光纖光柵和基于光時域反射的分布式傳感器，這種技術基本上可以滿足中低端市場的需求。而現(xiàn)在光譜線寬窄至2kHz的單頻光纖激光器及其引申出來的最新一代光傳感技術，這與傳統(tǒng)的光纖傳感有很大的區(qū)別，它可以進行超遠距離的傳輸，精度和敏感度能達到更高的要求，這在高端市場上需求很大，21世紀初，該項技術在國內尚處于立項和預研階段。國內市場上光纖傳感器應用主要在以下四種：光纖陀螺、光纖光柵傳感器、光纖電流傳感器和光纖水聽器。下面對這四種產(chǎn)品分別介紹一下。一、光纖陀螺。 光纖陀螺按原理可分為干涉型、諧振型和布里淵型，這是三代光纖陀螺的代表。第一代干涉型光纖陀螺，21實際初期，該項技術就已經(jīng)成熟，適合進行批量生產(chǎn)和商品化；第二代諧振型光纖陀螺，暫時還處于實驗室研究向實用化推進的發(fā)展階段；第三代布里淵型，它還處于理論研究階段。光纖陀螺結構根據(jù)所采用的光學元件有三種實現(xiàn)方法：小型分立元件系統(tǒng)、全光纖系統(tǒng)和集成光學元件系統(tǒng)。21世紀初期，分立光學元件技術已經(jīng)基本退出，全光纖系統(tǒng)用在開環(huán)低精度、低成本的光纖陀螺中，集成光學器件陀螺由于其工藝簡單、總體重復性好、成本低，所以在高精度光纖陀螺很受歡迎，是其主要實現(xiàn)方法。二、光纖光柵傳感器。 目前國內外傳感器領域的研究熱點之一光纖布拉格光柵傳感器。傳統(tǒng)光纖傳感器基本上可分為兩種類型：光強型和干涉型。光強型傳感器的缺點在于光源不穩(wěn)定，而且光纖損耗和探測器容易老化；干涉型傳感器由于要求兩路干涉光的光強同等，所以 需要固定參考點而導致應用不方便。21世紀初期開發(fā)的以光纖布拉格光柵為主的光纖光柵傳感器可以避免出現(xiàn)上面兩種情況，其傳感信號為波長調制、復用能力強。在建筑健康檢測、沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等應用中，光纖光柵傳感器是最理想的靈敏元件。光纖光柵傳感器在地球動力學、航天器、電力工業(yè)和化學傳感中有廣泛的應用。三、光纖電流傳感器。電力工業(yè)的迅猛發(fā)展帶動電力傳輸系統(tǒng)容量不斷增加，運行電壓等級也越來越高，電流也越來越大，這樣測量起來就非常困難，這就顯現(xiàn)出光纖電流傳感器的優(yōu)點了。在電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的用來測量電流的傳感器是以電磁感應為基礎，這就存在以下缺點：它容易爆炸以至引起災難性事故；大故障電流會造成鐵芯磁飽和；鐵芯發(fā)生共振效應；頻率響應慢；測量精度低；信號易受干擾；體積重量大、價格昂貴等等，已經(jīng)很難滿足新一代數(shù)字電力網(wǎng)的發(fā)展需要。這個時候光纖電流傳感器應運而生。四、光纖水聽器。 光纖水聽器主要用來測量水下聲信號，它通過高靈敏度的光纖相干檢測，將水聲信號轉換為光信號，并通過光纖傳至信號處理系統(tǒng)進行識別。與傳統(tǒng)水聽器相比，光纖水聽器具有靈敏度高、響應帶寬寬、不受電磁干擾等特點，廣泛用于軍事和石油勘探、環(huán)境檢測等領域，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α９饫w水聽器按原理可分為干涉型、強度型、光柵型等。干涉型光纖水聽器關鍵技術已經(jīng)逐步發(fā)展成熟，在部分領域形成產(chǎn)品；光纖光柵水聽器則是當前研究的熱點，研究的關鍵技術涉及光源、光纖器件、探頭技術、抗偏振衰落技術、抗相位衰落技術、信號處理技術、多路復用技術以及工程技術等。光纖傳感器技術是建立在光纖、光通信和光電子技術的基礎上發(fā)展起來的，電磁干擾和腐蝕作用對它的影響很小，還能適應各種惡劣的氣象環(huán)境，不要額外的電源進行供電，就可以長距離的進行傳輸，已成為傳感器行業(yè)的研究熱點。傳感器一直朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍卻是備受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能。光纖傳感器應用于對磁、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。其應用范圍十分廣泛。因此我們可以說光纖傳感器具有很大的市場需求，不說長久，至少在未來5年，光纖傳感器將會有廣闊的發(fā)展前景。光纖傳感技術及其相關技術的迅速發(fā)展，滿足了各類控制裝置及系統(tǒng)對信息的獲取與傳輸提出的更高要求，使得各領域的自動化程度越來越高，作為系統(tǒng)信息獲取與傳輸核心器件的光纖傳感器的研究非常重要。光纖傳感器技術發(fā)展的主要方向是：（1）多用途。即一種光纖傳感器不僅只針對一種物理量，要能夠對多種物理量進行同時測量。（2）提高分布式傳感器的空間分辨率、靈敏度，降低其成本，設計復雜的傳感器網(wǎng)絡工程。注意分布式傳感器的參數(shù)，即壓力、溫度，特別是化學參數(shù)（碳氫化合物、一些污染物、濕度、PH值等）對光纖的影響。（3）新型傳感材料、傳感技術等的開發(fā)。（4）在惡劣條件下（高溫、高壓、化學腐蝕）低成本傳感器（支架、連接、安裝）的開發(fā)和應用。（5）光纖連接器及與其它微技術結合的微光學技術。光纖傳感運用主要分為五大方向：（1）石油和天然氣——油藏監(jiān)測井下的P/T傳感、地震陣列、能源工業(yè)、發(fā)電廠、鍋爐及蒸汽渦輪機、電力電纜、渦輪機運輸、煉油廠；（2）航空航天——噴氣發(fā)動機、火箭推進系統(tǒng)、機身；（3）民用基礎建設——橋梁、大壩、道路、隧道、滑坡；（4）交通運輸——鐵路監(jiān)控、運動中的重量、運輸安全；（5）生物醫(yī)學——醫(yī)用溫度壓力、顱內壓測量、微創(chuàng)手術、一次性探頭。
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傳感器專家網(wǎng)
深圳傳感網(wǎng)絡科技有限公司
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導讀：光纖傳感器所用的光源種類繁多，從白熾光源到激光器的各種光源都采用。今天，我們不討論各種光源的結構及其工作原理，只討論光纖傳感器常用光源的性能，并指出選用光源的基本原則。1.白熾光源這類光源通常為鎢絲燈泡，其輻射近似地為黑體輯射。由斯忒藩-玻爾茲曼定律可知，在2000 ...
2019-10-171
成功的花椰菜
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可用于智能結構的光纖傳感器
目前用于智能結構的光纖傳感器有以下幾種。(1)點式傳感器用于智能結構的點式光纖傳感器主要有:光纖 Fabry-Perot傳感器、光纖 Bragg光柵傳器等。其特點是傳感頭尺寸小,比結構尺寸小很多,只局限于檢測一個很小截面內的某一參量的值(2)積分式傳感器這種傳感器可用于測量...
2019-04-170
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光纖傳感器的若干應用
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2020-04-130
小王談天地
資深設備工程師帶你走進科學，耕耘生活！
FS-N基恩士FSN18N光纖開關、光纖傳感器、光纖放大器的使用方法
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2020-02-130
自控設備與PLC
設備工程師,科技領域創(chuàng)作者
基恩士FS-N18N光纖傳感器感光度異常處理，附基本參數(shù)調校
基恩士是一家傳感器、激光刻印機、安全設備生產(chǎn)公司，成立于1974年5月，總部位于日本大阪。該公司的主要產(chǎn)品有光纖傳感器、軸光纖激光刻印機、接觸式傳感器、測量儀器、視覺系統(tǒng)等。小李公司的放板機的拍板系統(tǒng)，有的就是用基恩士的光纖傳感器來檢測。光纖傳感器是由光纖線和光纖放大器組成...
2020-09-200
參考資料
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祝詩平．傳感器與檢測技術：北京大學出版社，中國林業(yè)出版社，2006年：206
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陳杰．傳感器與檢測技術：高等教育出版社，2002.8：80
振動光纖傳感器：光纖傳感器的振動實驗
光纖傳感器的振動實驗
作者：管理員 發(fā)布時間：2019-12-12 10:06:36
一、實驗目的
了解光纖位移傳感器的動態(tài)特性。
二、實驗所用單元
光纖傳感器、光纖傳感器轉換電路板、低通濾波器、低頻振蕩器、振動臺、直流穩(wěn)壓電源、示波器
三、實驗原理及電路
利用光纖位移傳感器的位移特性及頻率響應特性，配以合適的測量電路即可測量振動。
本實驗電路框圖如圖1-1所示。
圖1-1 光纖傳感器振動實驗電路框圖
四、實驗步驟
1、按照圖2-2安裝光纖傳感器，本實驗中利用振動臺的振動梁面作為反射面。
圖2-2 光纖傳感器振動實驗安裝示意圖
2、根據(jù)圖1-1連接好各個部分。
3、將低頻振蕩器增益電位器旋到零，頻率電位器旋至6～10Hz左右，接通電源，逐步增大振動幅度，注意不能碰到光纖探頭。保持振動幅度不變，改變振動頻率，觀察輸出波形；保持振動頻率不變，改變振動幅度，觀察輸出波形。
五、實驗報告
分析光纖傳感器測量振動時的應用及特點。
實驗二、光纖傳感器的轉速測量實驗
一、實驗目的
了解光纖位移傳感器用于測量轉速的方法。
二、實驗所用單元
光纖傳感器、光纖傳感器轉換電路板、電機（光電傳感器中）、電機調速裝備（光電傳感器轉換電路中）、位移臺架、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字電壓表
三、實驗原理及電路
利用光纖位移傳感器探頭對旋轉體反射光的明顯變化產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)電路處理即可測量轉速。
四、實驗步驟
1、固定好位移臺架，將光纖傳感器裝于傳感器支架上，將電機放入位移臺架的圓孔中，使光纖探頭對準電機轉盤反射點。
2、將各部分的連線連接好，數(shù)字電壓表切換開關撥到20V檔。
3、接通電源，將電機調速電位器旋至0，使電機不轉動，①用手轉動電機轉盤，使探頭避開反射面，調節(jié)光纖轉換電路板上的RP電位器使數(shù)字電壓表指示值最小；②再轉動轉盤，使光纖探頭對準反射點，調節(jié)探頭與反射點的距離，使數(shù)字電壓表指示值最大，重復①②步驟，直至兩者的電壓差值最大。
4、數(shù)字電壓表切換開關撥到頻率檔，調節(jié)電機調速旋鈕，使電機轉動，觀察實驗現(xiàn)象。
五、實驗報告
測量轉速時轉盤上反射點的多少是否對測速精度有影響？為什么？
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振動光纖傳感器：光纖測振動工作原理
光纖除了主要應用于通訊信號傳輸外，還用于各種物理特性的傳感檢測，包括：加速度，壓力，溫度等。由于光纖本身不需要供電，且不受電磁干擾的影響，在大型周界應用中，振動光纖獲得越來越廣泛的應用，單套系統(tǒng)可以實現(xiàn)幾十米到幾十公里的探測，相對于傳統(tǒng)的帶電探測系統(tǒng)（振動電纜，泄露電纜等），具有明顯的優(yōu)勢。
光纖測振動工作原理是通過外界應變（振動或者擠壓）而產(chǎn)生光的干涉，并對干涉信號進行檢測，實現(xiàn)對應變的檢測。而光干涉的獲得方式主要有兩類：利用兩條獨立光纖傳輸同源單色光，并最終耦合實現(xiàn)光的干涉，常見的有馬赫-澤德干涉等；另一種是多模光纖內的模間干涉。
光纖振動傳感器因其具有不受電磁干擾、現(xiàn)場無需供電、長期可靠性和穩(wěn)定性好，傳輸距離遠等優(yōu)點，在高陡邊坡的防護及預警中得到了普遍的應用。危巖落石報警監(jiān)測屬于高陡邊坡防護監(jiān)測的一個分支，如果能預先監(jiān)測到危巖落石，將極大程度上減輕危巖落石對鐵路、公路等造成的經(jīng)濟損失。光纖振動傳感技術是一種當光纖傳感器受到外界干擾影響時，光纖中傳輸光的部分特性會改變，通過特殊的感測設備，將信號采集并分析，就能夠檢測光的特性變化，從而檢測物體的振動情況。
光纖振動傳感器的特點
光纖傳感器的特點是傳輸距離遠，不受電磁環(huán)境干擾，已被廣泛應用，其調制形式主要有強度調制型、光纖光柵型和干涉型，目前在光纖振動傳感器方面已有較多專利技術，這些光纖傳感器各有其優(yōu)點，有的靈敏度很高，有的頻率響應很好，有的技術含量很高，能很好適應常見振動的信號轉換，隨著傳感技術的不斷發(fā)展，人們對于傳感器的技術需求也在日益提高。已經(jīng)越來越需要滿足靈敏度高、成本低、制備工藝簡單、穩(wěn)定性好條件的光纖振動傳感器。在傳感檢測過程中，靈敏度和穩(wěn)定性是其主要的技術影響因素，而制備工藝和成本則是工業(yè)化生產(chǎn)過程中重要影響因素。同時兼具這些優(yōu)點的振動傳感器正在得到越來越多關注和青睞。
振動光纖傳感器結構簡單、靈敏度高、輸出幅度大、抗干擾強、傳輸距離遠、低頻響應好，下限頻率低、振膜動態(tài)范圍大、阻尼效果好，能夠很好適應某些特殊場合如高空煙囪搖晃、橋梁低頻振動、山體滑坡前兆監(jiān)測、地震前兆次聲波等復雜環(huán)境條件下的長時間長壽命的低頻振動信號監(jiān)測。
光纖振動傳感器探測系統(tǒng)的優(yōu)點
1. 環(huán)境惡劣不受到影響
長期安裝在惡劣的戶外環(huán)境，且無人值守，傳感器結構穩(wěn)定，疲勞壽命高 ；
2.抗干擾能力強
振動信號除落石引起的信號外，還有大量復雜的干擾信號，辨識度強 ；
3. 光纖傳感器響應速度快
鐵路沿線監(jiān)測范圍廣，為節(jié)約成本，增加傳感器的監(jiān)測范圍，需傳感器靈敏度高。
4. 不受其他振動影響
較高靈敏度的同時，有足夠的強度抵抗火車引起的大振動的破壞。
振動光纖傳感器：分布式光纖傳感器的特點
分布式光纖傳感器的特點
分布式光纖傳感器是光纖傳感技術的重要分類，分布式光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，分布式光纖傳感器具有無源、抗電磁干擾強、靈敏度高、耐腐蝕、測量距離長、定位精度高、連續(xù)分布式測量、使用壽命長等特點。
分布式光纖振動傳感器原理
分布式光纖振動傳感器是基于相干瑞利散射的分布式光纖傳感器。光在光纖中行進時，由于光纖的不均勻性，光會產(chǎn)生散射。當外界振動作用于傳感光纖上時，光纖的折射率、長度將產(chǎn)生微小變化，從而導致光纖內散射信號的相位變化，進而檢測到光強的變化。
振動信號通常的變化比較小，光纖監(jiān)測系統(tǒng)使用的是窄線寬脈沖相干光源，需要監(jiān)測振動的物體會讓脈沖寬度區(qū)域內相關的光纖瑞利散射的信號相位有變化的產(chǎn)生，振動的幅度和相位變化是同步增加的，分布式光纖振動傳感分析系統(tǒng)通過檢測物體振動前段和后段的的散射光信號的相位變化的不同，就可以準確精確的監(jiān)測需要感應的振動，同時可以感應不同多點振動事件，并且同時精確無誤的定位。
分布式光纖振動傳感器的特點
分布式光纖振動傳感器以其連續(xù)性、經(jīng)濟性和安全性等特點，在長距離、大范圍，對安全性、維護性要求高的領域，具有獨特的優(yōu)勢，在油氣管線、高鐵圍欄、機場、監(jiān)獄、軍事基地等領域的安全防范，以及土木工程和建筑行業(yè)的結構健康監(jiān)測，具有很好的應用前景。
分布式光纖振動監(jiān)測周界防范系統(tǒng)的應用
分布式光纖振動監(jiān)測周界防范系統(tǒng)主要針對目前安防產(chǎn)品存在靈敏度低、定位精度不高、測量距離短的現(xiàn)狀，專門開發(fā)的具有國際水平的高性能分布式光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)。分布式光纖振動監(jiān)測周界防范系統(tǒng)利用光纖作為感應體，通過發(fā)送預定重復率的相干光脈沖進入光纖，能探測發(fā)生在光纖上的各種振動信號，可以廣泛應用于管道防護、邊境防衛(wèi)、周界安防、機場和監(jiān)獄等領域。
