光纖傳感器的研究及應用研究

高安平

【摘 要】在現代各種工程當中，測量技術十二分的重要，而在測量技術中，傳感器起著舉足輕重的作用，它與測量的精密度及準確度密切相關。在眾多種類的傳感器當中，光纖傳感器傳感最為快速，反映物體變化最為精確，因而在各種測量器中廣泛使用。本文在此將對光纖傳感器做出研究，闡釋其作用原理，說明其工作特點，并且列舉光纖傳感器在一些領域的應用情況，以供參考。

【關鍵詞】光纖傳感器；研究；應用

0 前言

隨著我國經濟的騰飛，我國在科研上投入的經費更加巨大，科技水平不斷提高，隨之提高的是我國電氣自動化的程度，而各種自動化的電器內部總少不了傳感器這一必要的元件。光纖傳感器是所有傳感器中最重要的、使用范圍最廣的一種。光纖傳感器的作用原理是使來自光源的光波經過調制器，而后與待測參數相互作用而發生性質上的變化，變成信號光，再送入探測器，解調后獲得被測的參數。光纖傳感器與其他的傳感器相比有更多的優點，比如說，更加耐腐蝕，對介質的影響較小，抗電磁干擾能力強等等。因此，在我國諸多領域中，光纖傳感器都有應用。本文在此將對光纖傳感器進行較為詳細的研究，并且列舉光纖傳感器的一些應用，以供有興趣者參考。

1 光纖傳感器的研究

1.1 光纖傳感器概述

機械總是朝著越來越精確的方向發展，而在這一過程中，離不開更加靈敏、更加精確的傳感器。之所以光纖傳感器能在眾多的傳感器脫穎而出，是因為光纖傳感器具有靈敏度高、精確度高、適應性強、抗電磁干擾能力強等優點。光纖傳感器因在反射體中使用了棱鏡，反射光線的能力更強，因而與其他的反射型光控傳感器相比，檢測性能更高，檢測結果更加準確。光纖傳感器的電路設計更加簡單，連接更加容易，但是穩定性卻比一般的分離式光控傳感器高得多，更加不容易受到外界環境的影響。另外，光纖傳感器在設計上的巧妙點還在于它使用了子母扣嵌入式設計，這使得光纖傳感器在安裝過程中更加的方便快捷。

1.2 光纖傳感器的原理

光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經過光纖送入調制器，使得需要測量的參數和進入調制區的光相互作用后，導致光的光學性質發生變化，比如光強、頻率、相位、波長及偏振狀態等等，這時的光由普通光轉化為帶有被測物參數信息的信號光，再送入解調器中，將光波所包含的被測物參數還原出來，最終完成測量過程。光纖傳感器一般分為兩種：一種，是功能性光纖傳感器，另一種，是傳光型光纖傳感器。功能性光纖傳感器的工作原理是利用光線本身的敏感特性或功能特性，將輸入的物理量轉變為光信號，即光波的相位、強度或頻率等在環境的影響下發生變化，在解調后將光反應的信息轉化為可測得數據。傳光型光纖傳感器的工作原理是在光纖端面或中間加裝其他的更加敏感的元件，使其感知被測物的變化，而光纖僅僅起到傳輸光的作用。

1.3 光纖傳感器的特點

光纖傳感器有以下幾大特點：光纖傳感器的靈敏度高，因為光纖傳感器使用的是光波，傳播速度快，而且不易受到其他因素的干擾，因而能夠及時準確地反映出被測物的微小變化；光纖傳感器的幾何形狀可以多變，從而能夠適應各種不同位置測量的需要，比如較常規的對大型物體的測量可以隨意用不同的形狀，但用來探測人體內部病變的部位則需要用較細的探測器；光纖傳感器具有較強的抗電磁干擾能力，因而可以在高壓地區、強電力輻射區不受干擾的進行測量；光纖傳感器所用的材料是硅的氧化物，而硅的氧化物具有耐高溫高壓、抗腐蝕、抗氧化等特性，所以光纖傳感器可以在各種惡劣的環境中；由于光可以調制成富含各種不同的物理量聲波、磁力、溫度的信號，所以光纖傳感器可以用來測量多種不同的物理量，而不容易受到限制。

2 光纖傳感器的應用

2.1 光纖傳感器在測量金屬絲楊氏模量方面的應用

金屬絲的楊氏模量是衡量金屬絲的性能的重要依據，因此，必須用更加準確地方法測量金屬絲的楊氏模量。而使用光纖傳感器測量儀測量楊氏模量不僅操作簡單，而且其結果的準確性、可靠性大大提高。傳統的測量方法是拉伸法，其基本原理是使金屬絲受到砍碼的作用力，這時金屬絲會發生微小的形變，然后在鏡尺組的光路轉換中將這個微小的形變放大幾倍，最后計算出楊氏模量。而應用了光纖傳感器的紅外光測距儀測量的靈敏度、精確度、準確度都有很大的提高，紅外線測量儀可以用來直接測量3毫米以內的微小形變，而且幾乎沒有誤差。另一種反射式光纖位移傳感器也是用來測量楊氏模量的儀器，它采用兩束多模光纖，一端合并組成光纖探頭，另一端分為兩束，分別是光源光纖和接受光纖。在測量時，將傳感器固定在支架上，而后通過改變楊氏模量儀上的金屬絲位置，使儀表的電勢差發生變化，多次測量后，通過計算得出楊氏模量。

2.2 光纖傳感器在溫度測量方面的應用

我們都知道光纖傳感器是根據光在光導纖維中傳播而傳遞信息進行測量的，而光在光導纖維中傳播時，光的光強，波長，頻率等，物理量都會受到外界溫度、電磁波、電磁場的影響，會產生一定的變化，而光纖傳感器在測量溫度方面的應用正是利用了這一微小的變化。利用溫度引起的光纖相位變化來反映溫度的變化，這種測溫儀器被稱為調制傳感型光纖測溫儀，此外，還有根據光的振幅變化、偏振態變化等原理做成的溫度測量裝置，而這些裝置同樣稍加改造，就可以用來測量其他方面的物理量。

2.3 光纖傳感器在土木工程領域的應用

光纖傳感器在土木工程領域也得到了廣泛應用。在土木工程領域，光纖傳感器多用來測量大型的結構、橋梁的安全性能、混凝土結構變形及內部的應力等等，最重要的是光纖傳感器作為一種新型的應變傳感器而發揮出巨大的作用。光纖傳感器與普通傳感器相比一般來說更加小巧，因此可以深入混凝土的損傷裂縫中進行測量，以確定混凝土內部損傷的形式及擴展方式；光纖傳感器質量比較輕，能夠倒置粘貼在天花板，或野外的樹枝及山洞壁上，可以從各種不同的角度進行測量；土木工程領域一般所需要的數據都比較精確，光纖傳感器恰好滿足這一條件，據調查，使用光纖傳感器所測出的數據更加符合標準，能為土木工程的施工建設提供詳細準確的數據參考。

2.4 光纖傳感器在新領域的應用

在互聯網發展迅速的今天，人們更加喜歡通過無線傳輸數據，來控制物體或機械，因此，一個新的概念便產生了，那就是物聯網。而光纖傳感器使得物聯網的發展更加快速，因為光纖傳感器的靈敏度高，準確性高，適應性強等特點可以使物聯網運行更加準確，反應更加快速。人們如今在研發當中的全智能機器人更是離不開光纖傳感器的作用，機器人的各種感知能力都依賴于光纖傳感器所感知的信號，光纖傳感器就是機器人的眼睛、鼻子和耳朵。除此之外，光纖傳感器在國防安全方面也發揮著巨大的作用，在一些危險的核試驗基地、核電站或者邊境線等環境惡劣的地方，基礎設施比較差，甚至不能在野外供電，因此需要一款室外無源監控系統，而光纖傳感器正是這一系統的主要部件，可以在不供電的情況下提供有效的安全監控。

3 結語

如今光纖傳感器無論是在國內還是國際市場上都十分暢銷，各種不同檔次的光纖傳感器可滿足人們的不同需求，它主要運用在以下五大領域，石油和天然氣的探測、航空航天、交通運輸、生物醫學以及民用基礎工程建設，而在未來，相信光纖傳感器會因其優異的性能、超強的適應性、抗電磁干擾能力而應用于更家廣泛的領域，更加為人們所青睞。

【參考文獻】

[1]顧波波.新型結構光纖傳感器及其應用研究[D].浙江大學，2012.

[2]廖延彪，黎敏.光纖傳感器的今日與發展[J].傳感器世界，2004，02：6-12.

[責任編輯：楊玉潔]