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光栅也可以代替其它类型结构的光纤传感器,用于化学、压力和加速度传感中。长周期光栅是指周期大于100mm的光栅,也是继FBG之后光纤光栅型传感器的另一个重要分支。由于测量利用包层膜耦合的原理,使其同时具备灵敏度优良和制作简便的优势。光纤光栅的其它分支还包括啁啾光栅、斜光栅等。在世界范围内,由于对工民建和工业设施安全性和效益要求的不断提高,对集成的安全检测系统的需求逐步攀升。具备可连续、无间断、长距离测量并与被测量介质有极强的亲和性的分布式光纤传感系统似乎正是为此而量身定做的。分布式光纤传感系统通常有三种类型:拉曼型、布里渊型和FBG型。拉曼型分布式光纤传感系统是基于光纤拉曼散射效应的连续型传感器。
其工作原理见图6。三种类型的传感系统的应用都已见诸于报道。其中尤以拉曼型分布式传感系统*为成熟,已*地装载于A340运输机上。FBG型分布式传感系统在应力多点分布式测量中有独到的优点,并可同时完成温度和应力的双参量测量,为FBG应用开辟了更为广阔的前景。光纤传感器的应用开发根据当前的应用热点领域和技术类型可大致分为四个大的方向:光(纤)层析成像分析技术OCT、光纤智能材料(SMARTMATERIAL)、光纤陀螺与惯导系统、以及常规工业工程传感器。光纤层析成像分析技术根据不同的原理和应用场合,可将光纤层析技术分为光相干层析成像分析(OCT)和光过程层析成像分析技术(OPT)。光层析成像技术源于X射线层析成像分析(CT)。
当X射线或光线传输经过被测样品时,不同的样品材料对射线的吸收特性有不同,因此对经过样品的射线或光线进行测量、分析,并根据预定的拓扑结构和设计进行解算就可以得到所需要的样品参数。光纤相干层析成像技术(OCT)主要应用于生物、医学、化学分析等领域,如视网膜扫描、胃肠内视和用于实现彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。其工作原理基于光的相干检测原理,基本系统结构如图所示。OCT为生物细胞和机体的活性检测提供了一种有效的方式,世界上有许多*都开发出相应的产品。图11为视网膜的CT扫描图像。德国的科学家近期推出了一台可用作皮肤癌诊断的OCT设备。此外,利用OCT可以实现深度测量(~1mm)的优势,已有实例应用于对生长中的细胞进行观察和监测中。
而OPT则面向工业工程-油井、管线等场所,高精度地解决流体的过程测量问题。由于OPT所关心的是光线路径上的积分过程,因此相关的系统集成设计、测量理论分析中的单元分割与信号处理都是关键。由于OPT具有适用于狭小的或不规则的空间、安全性高、测量区域不受电磁干扰以及可组成测量网络的多项长处,为工业过程的安全测量提供了一种优良的手段。智能材料的提出和研究已有相当长的一段时间,为业内人士所熟悉。智能材料是指将敏感元件嵌入被测构件机体和材料中,从而在构件或材料常规工作的同时实现对其安全运转、故障等的实时监控。其中,光纤和电导线与多种材料的有效结合是关键问题,尤其是实现与纺织材料的自动化编织。智能材料作为桥梁、大坝等混凝土大型建筑的监测系统已在国外多处工程中通过安装测试并付诸应用。
此外,智能材料在航空航天领域的应用也日趋广泛,尤其是采用光纤光栅和光纤分布式应力、温度测量系统进行恶劣环境条件-高温、变形的多参量监测取得了明显的效果。光纤传感器是一种放大器分离型的光电传感器,光纤传感器中也有对射型、回归反射型和扩散反射型。光纤传感器能够检测一些由于空间太小一般传感器无法安装的场合,或特殊环境下。光纤传感器因为光纤的优点以及它的数字化显示、管理,是目前光电传感器发展的主流。对检测物体的限制少:以检测物体引起的遮光和反射为检测原理,所以不象接近传感器等将检测物体限定在具有導磁性,它可对玻璃·塑料、木材、液体等几乎所有物体进行检测。响应时间短:光本身为高速,并且传感器的电路都由电子零件构成。
所以不包含机械性工作时间,响应时间非常短。分辨率高:能通过*技术使投光光束集中为小光点,或通过构成特殊的受光光学系统,来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。便于调整:在投射可视光的类型中,投光光束是眼睛可见的,便于对检测物体的位置进行调整。可实现颜色判别:通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。利用这种性质,可对检测物体的颜色进行检测。对射型:投光器与受光器直接的距离;回归反射型:投受光器到反射板的距离;扩散反射型/限定反射性/距离设定型:投受光器与检测物体直接的距离;动作距离与复位距离的差;遮光是遮断或者减少进入受光器的光束时使用输出型;
入光则是增加进入受光器的光束时使用输出型。判断光量的稳定度。一般光电传感器都带有绿色稳定指示灯,绿色和橙色灯同时亮表示稳定检测。自我诊断输出:不稳定时输出。通过将对射型投光器的导线「粉」―「蓝」间短路,可在任意时间使投光停止。投光器和受光器间没有检测物体时(工作前),对投光器进行ON/OFF设置,如果受光器侧的输出没有变化,说明传感器发生异常。对射型和回归反射型是根据光学结构的对角线长度将直径较大的不透明体的尺寸作为标准物体。一般的对射型是以投、受光器的对角线长度作为标准检测物体的长度。回归反射型则是以反射板的对角线长度作为标准检测物体的直径。扩散反射型是根据投光束的直径将大张的白纸作为标准检测物体。
近年来,传感器在朝着灵敏、、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中,光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能,例如:抗电磁干扰和原子辐射的性能,径细、质软、重量轻的机械性能;绝缘、无感应的电气性能;耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等,它能够在人达不到的地方(如高温区),或者对人有害的地区(如核辐射区),起到人的耳目的作用,而且还能越人的生理界限,接收人的感官所感受不到的外界信息。光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。其基本原理是将光源的光经入射光纤送人调制区,光在调制区内与外界被测参数相互作用,使光的光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化而成为被调制的信号光。
再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。光纤传感器按传感原理可分为两类:一类是传光型(非功能型)传感器,另一类是传感型(功能型)传感器。在传光型光纤传感器中,光纤仅作为光的传输媒质,对被测信号的感觉是靠其它敏感元件来完成的,这种传感器射光纤和入射光纤是不连续的,两者之间的调制器是光谱变化的敏感元件或其它性质的敏感元件。在传感型光纤传感器中光纤兼有对被测信号的敏感及光信号的传输作用,将信号的“感”和“传”合而为一,因此这类传感器中光纤是连续的。由于这两种传感器中光纤所起的作用不同,对光纤的要求也不同。在传光型传感器中光纤只起传光的作用,采用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求,而敏感元件可以很灵活地选用的材料来实现。