光纖傳感器的特點(diǎn)有哪些
在工程應(yīng)用中和科學(xué)研究中，溫度都是一個(gè)非常重要參考量，占有舉足輕重的地位，傳統(tǒng)的溫度傳感器以熱電偶、半導(dǎo)體及鉑合金為主，它們的測(cè)量原理簡(jiǎn)單成本較低，因而在實(shí)際應(yīng)用中被廣泛使用。與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比，光纖溫度傳感器是利用一些物質(zhì)吸收的光譜會(huì)隨著溫度的變化而變化，再分析光纖傳輸?shù)墓庾V實(shí)時(shí)得測(cè)量溫度變化情況，它的測(cè)量精度較高，并且靈敏度實(shí)時(shí)可調(diào)。
光纖傳感器相對(duì)于其他傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、不受電磁干擾、耐腐蝕的特點(diǎn)，使得光纖傳感器的應(yīng)用范圍較廣，涉及到國(guó)防以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域和人們的日常生活。光纖溫度傳感器種類很多，主要有光纖光柵溫度傳感器、光纖FabryPerot干涉式溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器、拉曼光纖溫度傳感器等。
光纖傳感器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)
光纖傳感器是基于光纖的設(shè)備，用于檢測(cè)一些數(shù)量，通常是溫度或機(jī)械應(yīng)變，但有時(shí)也包括位移，振動(dòng)，壓力，加速度，旋轉(zhuǎn)（使用基于Sagnac效應(yīng)的光學(xué)陀螺儀測(cè)量）或化學(xué)物質(zhì)的濃度。這種裝置的一般原理是來自激光器（通常是單頻?光纖激光器）或來自超發(fā)光源的光通過光纖發(fā)送，在光纖或一個(gè)或多個(gè)光纖布拉格中經(jīng)歷其參數(shù)的細(xì)微變化光柵，然后到達(dá)測(cè)量這些變化的探測(cè)器裝置。
一個(gè)區(qū)分內(nèi)在和外在的傳感器。固有傳感器是光纖本身（可能是修改形式，例如包含布拉格光柵）作為傳感器的傳感器。外部傳感器僅使用光纖將光傳輸?shù)綄?shí)際傳感器或從實(shí)際傳感器傳輸光。
許多光纖傳感器基于單根光纖，但其他光纖傳感器則采用光纖束制成。例如，存在外部傳感器，其中一些照明光通過束的一些光纖發(fā)送到樣本，并且反射光或用過的熒光通過其他光纖發(fā)回。
與其他類型的傳感器相比，光纖傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)：
- 它們由電絕緣材料（不需要電纜）組成，這使得它們可以用于例如高壓環(huán)境中。
- 它們可以安全地用于爆炸性環(huán)境中，因?yàn)榧词乖诔霈F(xiàn)缺陷的情況下也不存在電火花的風(fēng)險(xiǎn)。
- 它們不受電磁干擾（EMI）的影響，即使是附近的雷擊，也不會(huì)對(duì)其他設(shè)備造成電擊。
- 它們的材料可以是化學(xué)被動(dòng)的，即不會(huì)污染其周圍環(huán)境并且不會(huì)受到腐蝕。
- 它們具有非常寬的工作溫度范圍（比許多電子設(shè)備可能的范圍寬得多）。
- 它們具有多路復(fù)用功能：?jiǎn)蝹€(gè)光纖線路中的多個(gè)傳感器可以通過單個(gè)光源進(jìn)行查詢。
布拉格光柵傳感器
光纖傳感器通?；诠饫w布拉格光柵。許多光纖傳感器的基本原理是光纖布拉格光柵的布拉格波長(zhǎng)（即最大反射波長(zhǎng)）不僅取決于布拉格光柵周期，還取決于溫度和機(jī)械應(yīng)變。
對(duì)于基于二氧化硅纖維的光學(xué)應(yīng)變傳感器，布拉格波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)變的分?jǐn)?shù)響應(yīng)比應(yīng)變本身小約20％，因?yàn)閼?yīng)變的直接影響在某種程度上通過折射率的降低而降低。溫度效應(yīng)接近單獨(dú)熱膨脹所預(yù)期的溫度效應(yīng)。應(yīng)變和溫度的影響可以通過各種技術(shù)來區(qū)分（例如，通過使用不受應(yīng)變影響的參考光柵，或者通過組合不同類型的光纖光柵），從而同時(shí)獲得兩個(gè)量。
對(duì)于純應(yīng)變傳感，分辨率可以是幾μs的范圍（即，相對(duì)長(zhǎng)度變化幾倍10?-6），并且精度可能不會(huì)低得多。對(duì)于動(dòng)態(tài)測(cè)量（例如聲學(xué)現(xiàn)象），可以實(shí)現(xiàn)在1Hz帶寬內(nèi)優(yōu)于1nε的靈敏度。
還有布拉格光柵激光傳感器，其中實(shí)現(xiàn)了光纖激光器，由兩個(gè)光柵和其間的稀土摻雜光纖組成。或者，另一側(cè)可以有一個(gè)FBG和一個(gè)寬帶反射器。當(dāng)提供泵浦光時(shí)，這種裝置產(chǎn)生波長(zhǎng)接近布拉格波長(zhǎng)的輸出。
準(zhǔn)分布式傳感
單根光纖可以包含許多串聯(lián)的光柵傳感器（見上文），以監(jiān)測(cè)沿整個(gè)光纖的溫度和應(yīng)變分布。這稱為準(zhǔn)分布式傳感。有不同的技術(shù)來解決單個(gè)光柵（以及沿光纖的某些位置）：
- 在稱為波分復(fù)用（WDM）或光頻域反射計(jì)（OFDR）的一種技術(shù)中，光柵具有略微不同的布拉格波長(zhǎng)。甲波長(zhǎng)可調(diào)?激光器中的詢問器單元可以被調(diào)諧到屬于特定的光柵波長(zhǎng)，和最大的波長(zhǎng)的反射率表示應(yīng)變或溫度的影響，例如?；蛘?，寬帶光源（例如，超發(fā)光源）可以與波長(zhǎng)掃描光電探測(cè)器（例如，基于光纖Fabry-Pérot）或基于CCD的光譜儀一起使用。。在任何情況下，光柵的最大數(shù)量通常在10和50之間，受光源的調(diào)諧范圍或帶寬和每個(gè)光纖光柵所需的波長(zhǎng)間隔的限制。
- 另一種稱為時(shí)分多路復(fù)用（TDM）的技術(shù)使用相同的弱反射光柵，用短光脈沖進(jìn)行詢問。然后通過它們的到達(dá)時(shí)間來區(qū)分來自不同光柵的反射。時(shí)分復(fù)用通常與波分復(fù)用相結(jié)合，以便將不同信道的數(shù)量乘以數(shù)百甚至數(shù)千。
- 光學(xué)開關(guān)允許人們?cè)诓煌墓饫w線路之間進(jìn)行選擇，進(jìn)一步增加可能的傳感器數(shù)量。
分布式傳感
其他光纖傳感器不使用光纖布拉格光柵作為傳感器，而是使用光纖本身。然后，傳感原理可以基于瑞利散射，拉曼散射或布里淵散射。例如，光時(shí)域反射計(jì)是一種使用脈沖探測(cè)信號(hào)可以定位弱反射的方法。例如，還可以利用布里淵頻移的溫度或應(yīng)變依賴性。
在某些情況下，測(cè)量的量是整個(gè)纖維長(zhǎng)度的平均值。對(duì)于某些溫度傳感器而言，情況也是如此，但對(duì)于用作陀螺儀的Sagnac干涉儀也是如此。在其他情況下，測(cè)量位置相關(guān)的量（例如溫度或應(yīng)變）。這稱為分布式傳感。
有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱光學(xué)溫度傳感器和光學(xué)應(yīng)變傳感器的文章
其他方法
除了上述方法之外，還有許多替代技術(shù)。一些例子是：
- 光纖布拉格光柵可用于干涉光纖傳感器，其中它們僅用作反射器，并且測(cè)量的相移由它們之間的光纖跨距產(chǎn)生。
- 存在布拉格光柵激光傳感器，其中傳感器光柵形成光纖激光?諧振器的端鏡，其包含例如一些摻鉺光纖，其通過光纖線接收一些980nm泵浦光。布拉格波長(zhǎng)取決于例如溫度或應(yīng)變，決定激光發(fā)射波長(zhǎng)。這種方法具有許多進(jìn)一步的變化，由于這種光纖激光器的線寬小而具有非常高的分辨率，并且具有非常高的靈敏度。
- 在某些情況下，成對(duì)的布拉格光柵被用作光纖法布里 – 珀羅干涉儀，它可以對(duì)外部影響做出特別敏感的反應(yīng)。法布里 – 珀羅干涉儀也可以用其他方法制造，例如在光纖中具有可變的氣隙。
- 長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)于多參數(shù)傳感（例如溫度和應(yīng)變）特別有用，并且對(duì)于對(duì)溫度變化具有非常低靈敏度的應(yīng)變傳感也是如此。
應(yīng)用
即使經(jīng)過多年的發(fā)展，光纖傳感器仍未取得巨大的商業(yè)成功，因?yàn)榧词顾鼈兙哂心承┚窒扌?，也難以取代已經(jīng)成熟的技術(shù)。然而，對(duì)于某些應(yīng)用領(lǐng)域，光纖傳感器越來越被認(rèn)為是一種具有非常有趣可能性的技術(shù)。這尤其適用于惡劣環(huán)境，例如高壓和高功率機(jī)械或微波爐中的傳感。布拉格光柵傳感器還可用于監(jiān)測(cè)例如飛機(jī)機(jī)翼，風(fēng)力渦輪機(jī)，橋梁，大型水壩，油井和管道中的狀況。帶有集成光纖傳感器的建筑有時(shí)被稱為“智能結(jié)構(gòu)”;
