光纤传感器及其应用研究

收稿日期 : 2004206218 作者简介 :陈锋华 (1978 - ) ,男 ,在读研究生 ,研究方向为光信息。 第 26卷 　第 2期 太 原 科 技 大 学 学 报 Vol. 26　No. 2 2005年 6月 JOURNAL OF TA IYUAN UN IVERSITY OF SC IENCE AND TECHNOLOGY Jun. 2005 文章编号 : 1673 - 2057 (2005) 02 - 0099 - 03 光纤传感器及其应用研究 陈峰华 ,孟继轲 (太原科技大学 ,太原 030024) 　　摘 　要 :光纤传感器技术在现代检测及自动控制中的应用非常广泛 ,本文从光纤基本 原理及光纤特性等方面 ,对光线的物理特性进行分析和研究 ,并利用其不同于传统传感器 的优越性能 ,针对我省采矿工业的安全监控系统 ,提出一种全光网络的安全监控方法。此 方法安全、可靠、精度高。 　　关键词 :光纤理论 ;光纤传感器 ;安全监控 中图分类号 : O439　　文献标识码 : A 　　光纤传感器技术是伴随着光导纤维及光纤通 讯技术发展而出现的一种崭新的传感技术 ,不同于 传统的传感技术 ,它的灵敏度 ,抗干扰性以及高适 用性正成为目前科技发展所追逐的新宠。 光纤传感是利用光纤对外界环境因素十分敏 感 ,例如温度、压力、电场、磁场等环境条件的变化 都将引起光波参量 ,如强度、相位、频率、偏振态等 的变化。通过相关的研究 ,就可以加以利用 ;同时 光纤本身具有许多优点 ,如长距离传输损耗低、易 弯曲、体积小、重量轻、成本低、防水、防火、高抗电 磁干扰等 ,因此在航空、航天、航海、核工业、电力、 医疗、石化、矿山、冶金等行业有着广泛的应用。 1　光纤传感器概述 光纤传感器就是利用光纤将待测量对光纤内 部传输的光参量进行调制 ,并对被调制过的光波信 号进行检测 ,从而获得待测量值的一种方法。根据 光纤在传感器中所起的作用不同分为两大类 : [ 1 ] 图 1　光纤传感器基本形式 F ig. 1 Ba sic form of optica l f iber sen sor 　　 (1)功能型 :利用光纤本身的特性把光纤直接 作为敏感元件 ,感知信息的同时又传输信息 (称为 全光纤传感器 ) ; (2)非功能型 :利用其它敏感元件感知待测量 的变化 ,光纤仅仅作为光的传输介质 ,传输光信号 来自较远处或者难以接近的场所 (称为传光型传感 器或者混合型传感器 )。 不论是功能型和非功能型 ,最终都是需要通过 对光波参量的调制来实现待测信息的提取 ,具体的 调制方法可以根据强度、相位、频率、偏振、颜色等 实现。 2　光的反射及光纤传光原理 [ 1] 光通过两种透明介质时 ,在其分界面上将发生 折射和反射 ,对应的两类光线的方向可以通过反射 和折射定律确定。 实际中根据具体的情况其透射系数、反射系数 有很多变化 ,根据入射条件 ,光矢量的垂直分量和 平行分量都会受到影响。以理想的光波传播线路 为例。 图 2　光纤原理 F ig. 2 Theory of optic f iber 3　光纤传感器的应用研究 根据我省以工矿企业为主的现实情况 ,参考光 纤传感器在特殊环境中的优越适应性 ,提出如下的 综合解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 : 利用光纤压力传感器实现矿井危险地段的安 全检测 ,利用光纤温度传感器实现温度参量的时时 反馈 ,利用光信号经过不同气体介质时其光学参量 发生变化 ,实现易燃易爆气体的时时监控 ,综合通 过光纤网络实现全过程的综合监控。[ 2 ] 压力传感器采用透射式 ,该种方案具有简单、 实用、价格便宜等 ,但是由于光纤不动 ,监测范围较 小 ,参见图 3: 此结构利用光强调制技术 ,通过膜片传递压力 变化 ,进而带动光闸门调制光强 ,实现压力传感检 测。其中入射光纤和出射光纤是同一光纤 ,在被测 压边处发生形变 ,形成光快门。光强在两侧不同 , 达到检测目的。 温度传感器采用半导体光吸收型光纤温度传 感器 ,采用两个光源 ,一只铝镓砷发光二极管 ,波长 λ1≈ 0. 88μm,另一只是铟镓磷砷发光二极管 ,波长 图 3　光快门式光纤压力传感器 F ig. 3 light2shutter form optica l f iber pressure sen sor λ2≈ 1. 27μm,敏感头对λ1 光的吸收随温度而变化 , 对λ2 光不吸收 ,取λ1 光作为参考信号 ,用雪崩二极 管作光探测器 , 经过采样放大器后 , 得到两个正比 于脉冲高度的直流信号 ,经过除法器以参考光 (λ2 ) 信号为标准将与温度相关的光信号 (λ1 ) 归一化 ,除 法器的输出仅与温度 T有关 ,实现温度的监控 ,光纤 中通过的光信号 ,经光电传感器 (光探测器 ) 转换成 电信号 , 这是个模拟量 ,需经 A /D 转换成数字信 号 ,经单片机处理后送入 PC机输出。 测量范围 - 10℃2300℃,精度达到 ±1℃,设计 要求符合矿井中的常见环境 ,可以满足现实需要。 1. 脉冲发生器 ; 2. LED驱动器 ; 3. LED (λ1 ) ; 4. LED (λ2 ) ; 5. 光耦合器 ; 6. 光纤 ; 7. 敏感头 ; 8. APD探测器 ; 9.放大器 ; 10. 采样放大器 ; 11. 信号处理器 ; 12.信号输出 图 4　半导体吸收型光纤温度传感器 F ig. 4 Sem iconductor absorben t tem pera ture sen sor w ith optica l f iber 在矿井等地下施工现场 ,危险气体主要是 CO、 C2 H2、N2、CH4、C2 H6 等 ,传统的检测方式由于受到 相关电气因素的影响 ,存在安全隐患 ,同时不能很 好的发挥功效 ,一旦出现电气问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 很容易导致爆 001 　　　　　太 原 科 技 大 学 学 报　　 　　　　　　　　　2005年 炸。光纤传感器的优良品质 ,同时结合其全光特 性 ,安全的同时又保证了检测的准确程度 ,此类传 感器高抗电磁干扰 ,可以进行远距离控制。 目前光纤传感器的气体检测原理主要是利用 物质的荧光、散射、吸收和折射率变化特性 ,检测气 体浓度的变化 ,国内主要集中在强度调制型和干涉 调制型两种。 气体在近红外区域内的选择吸收现象可以用 来进行检测单一气体的浓度。气体分子只能够吸 收那些能量正好等于它的两个能级的能量之差的 光子 ,对于不同的气体 ,分子结构不同 ,因而可以利 用来进行特定气体的监测。[ 3 ] 以吸收型光纤传感器为例。当光通过某种介 质时 ,即使没有折射、衍射现象 ,传播情况也会发生 变化 ,主要包括吸收和散射。衰减过程主要是吸 收 ,因此可以通过研究其吸收结果进行气体浓度的 监测。 当气室中没有待测气体时 ,通过气室的光经过 探测器测得其光强为 I0 ,当待测气体充入并达到一 定浓度时 ,其强度变为 I1 , 因而可以进行检测。基 本示意图如下 : 图 5　光纤探测示意图 F ig. 5 O ptica l f iber detection d iagramma tic sketch 灵敏度是系统的关键 ,影响灵敏度的主要因素 包括 :光源的稳定性、光路耦合处的耦合状态的变 化、环境因素 (温度、湿度、振动等 ) ,解决的方法可 以采用差分吸收的方法进行 ,利用两路光 ,一路固 定通过密闭气室 ,另外一路通过充入实际气体实 现。本套装置需要专用的数据库进行保证 ,调试过 程比较复杂 ,利用微机网络 ,实现数据的时时传送 , 安全的监控。 　　我国目前使用高温传感器每年要消耗几十亿 元 ,传统中使用铅铹丝热电偶来测量高温 ,寿命短 , 成本高 ,而且在工业生产中需要停产来更换热电 偶 ,严重影响了生产。光纤高温传感器具有极大的 实用性 ,同时其全光网络适用于安全要求较高的场 合 ,在石油化工系统 ,矿井 ,大型电厂等 ,需要检测 氧气、碳氢化合物 ,一氧化碳等气体 ,采用电气类传 感器不但达不到要求的精度 ,更严重的是会引起安 全事故。[ 3 ] 综合利用上述三类光纤传感器组成全光网络 , 进行井下安全事故的检测 ,可以有效的避免使用传 统传感器进行监测时带来的缺陷 ,例如线路受到电 磁干扰 ,信号稳定性较差 ,对电源依赖性强 ,网络组 成在事故发生时的及时性受到影响等等。 4　结论 本文对于光纤及其传感器系统进行全面的分 析、研究 ,对比于传统传感器系统的电气依赖性 ,体 现出现代光纤传感器的优势 ,同时针对我省实际 , 设计安全检测系统 ,利用常用的几种光纤传感器及 其光纤网络 ,实现全光网络的监测 ,结合微机系统 , 组成实时监控系统。光纤传感器由于具有灵敏度 高、结构简单、耐腐蚀、体积小、光路可弯曲等优点 , 因此具有广阔的应用前景 ,随着其独特性能的不断 优化 ,它将成为最具发展前途的传感器之一。 文章针对实际情况 ,设计通过光纤传感器以及 光纤网络实现对传统温度、压力、应变、以及危险气 体检测手段的改革 ,实现时时监控 ,同时避免了传 统检测手段中由于突发事故等引起的监测仪器二 次引发事故的危险。具有实际应用价值。 参考文献 : [ 1 ]　安毓英 ,等 1光学传感与测量 [M ]1北京 :电子工业出版社 , 2001. 1652210. 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An Im proved M ethod of In tersection S igna l T im ing and O ptim iza tion CHANG Zheng2yan, J IA Zh i2xuan, ZHANG Hong ( Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan , 030024, China) Abstract: The lim itations of recent research methods are analyzed in the intersection signal tim ing and op tim ization. A modified method is Presented and testified by illustrations. The results show that the method is better than other methods, for it can reduce the average delay and the times of parking, thus can eventually p romote the traffic ca2 pacity. Key words: single intersection, signal tim ing and op tim ization, delay (上接第 101页 , Continued from page 101) Study on O ptica l F iber Sen sor and its Applica tion CHEN Feng2hua, M ENG J i2ke ( Taiyuan University of Science and Technology , Taiyuan 030024, China) Abstract: The op tical fiber sensor has been extensively used in modern detection and automatic control. In this pa2 per, the physical characteristics of the ray in fiber is analysed and studied from the aspects of op tical fiber further2 more theory and the characteristics of op tical fiber aim ing at the security superisory system of the m ining indistry in Shanxi p rovince, a security superrisory’s method of the full op tical fiber sensor network is p resented based on its su2 perior p roperty different from the conventional sensor. The method is asfe, reliable and p recise. Key words: op tical fiber theory, op tical fiber sensor, security supervisory 601 　　　　　太 原 科 技 大 学 学 报　　 　　　　　　　　　2005年