光纤传感器的原理及应用论文

光纤传感器的原理及应用
摘要：本文主要介绍由光纤传感器发展过程与基本的原理，由此分析出光纤传感器在测量技术中的应用以及光纤液位传感器特点与应用，光纤传感器发展方向。

关键字：光纤传感器；原理；应用；发展方向
目录
1光纤传感器发展过程 (3)
2光纤传感器的基本工作原理 (3)
3光纤传感器的应用 (3)
4光纤液位传感器特点与应用 (3)
4.1工作原理 (3)
4.2光纤液位传感器应用 (3)
5光纤传感器发展方向 (3)
1光纤传感器发展过程
光导纤维传感器（简称光纤传感器）是20世纪七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。

光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。

一直以来，传感器在朝着灵敏、精确、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。

近年来，光纤传感器监测技术伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来。

与传统的监测技术相比，光纤监测技术有一系列独特的优点：1）光纤传感器以光信号作为载体，光纤为媒质，光纤的纤芯材料为二氧化硅，因此，该传感器具有耐腐蚀、抗电磁干扰、防雷击等特点，属本质安全。

2）光纤本身轻细纤柔，光纤传感器的体积小、重量轻，不仅限于布设安装，而且对埋调部位的材料性能和力学参数影响甚小，能实现无损埋设。

3）灵敏度高，可靠性好，使用寿命长。

分布式光纤监测技术除了具有以上的特点外，还具有以下两个显著的优点：可以准确地测出光纤沿线任一点的监测量，信息量大，成果直观；光纤既作为传感器，又作为传输介质，结构简单，不仅方便施工，潜在故障大大低于传统技术，可维护性强，而且性能价格比好。

分布式光纤经久耐用，安全可靠，由它构成的网络可以遍布坝体，这些光纤网络犹如神经系统，可以感知坝体各部位相关信息，大坝因此而有望成为一种机敏结构。

分布式光纤监测技术是当代高科技的结晶，是一种理想的大坝安全监测系统，广大安全监测工作者应予以积极推广。

2光纤传感器的基本工作原理
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。

光纤传感器一般是由光源、接口、光导纤维、光调制机构、光电探测器和信号处理系统等部分组成。

来自光源的光线，通过接口进入光纤，然后将检测的参数调制成幅度、相位、色彩或偏振信息，最后利用微处理器进行信息处理。

概括光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和光探测器两个重要部件。

见下图（1）所示。

图（1）
3光纤传感器的应用
光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。

主要表现在以下几个方面的应用:
(1) 城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。

光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中，用于测试应力松弛、施工应力和动荷载应力从而来评估桥梁短期、施工阶段和长期营运状态的结构性能。

(2) 在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等，由于电类传感器易受强电磁场的干扰，无法在这些场合中使用，只能用光纤传感器。

分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术，分布式光纤温度传感系统不仅具有普通光纤传感器的优点，还具有对光纤沿线各点的温度的分布式传感能力，利用这种特点我们可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点的温度，定位精度可达米的量级，测温精度可达1度的水平，非常适用于大范围多点测温的应用场合。

(3) 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、CO等气体，采用电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。

因此，研究和开发高性能的光纤气敏传感器，可以安全有效地实现上述检测。

(4) 在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面，由于其环境复杂，影响因素多，使用其它传感器达不到所需要的精度，并且易受外界因素的干扰，采用光纤传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精度，可实现
对上述各领域的生物量的快速、方便、准确地检测。

目前，我国水源的污染情况严重，临床检验、食品安全检测手段比较落后，光纤传感器在这些领域具有极好的市场前景。

(5) 医学及生物传感器。

医学临床应用光纤辐射剂量计、呼吸系统气流传感系统;圆锥形微型FOS测量氧气浓度及其他生物参数;用FOS探测氢氧化物及其他化学污染物;光纤表面细胞质粒基因组共振生物传感器;生物适应FOS系统应用于海水监测、生化技术、医药。

光纤传感器在实践中运用到的例子举不胜举，这些技术都是多学科的综合，涵盖的知识面广，象光纤陀螺，火花塞光纤传感器，光纤传感复合材料，以及利用光纤传感器对植物叶绿素的研究等等；随着科技的不断进步，越来越多的光纤传感器将面世，它将被应用到生产生活的每一个角落。

4光纤液位传感器特点与应用
4.1工作原理
UQG-Ⅱ型光纤液位计是根据力平衡原理测量储罐液位的仪表。

它由浮球、光纤传感器、力平衡传动机构、光电变换器、光缆及智能式数显表等所组成。

其工作原理简述如下：
在力平衡机构的作用下，浮球把感测到的液位的变化量，通过钢丝绳传递给测量装置内的磁偶合器，在磁偶合器的作用下使隔离的光纤传感器感受到位移的变化量，并通过光纤送出光信号给光电变换器变换成电信号给智能式数显示液位，智能式数显表可以根据用户的要求实现声光报警，输出4-20mA和RS232通讯，实现液位的检测与控制。

图(2)工作原理图
特点：
1）、UQG-Ⅱ光纤液位计备有机械指针来显示贮罐液位，不用人工检尺，断电后仍可指示贮罐液位，其示值可用来校核二次表显示值或标定初始值，适用于封存罐。

2）、液位计主机与传感器为隔离式，模块化部件可离线检修，在线安装维护比较方便。

3）、UQG-Ⅱ光纤液位计一般安装在储罐顶上，只需贮罐顶部有DN50（或大于DN50）的法兰，即可安装UQG-Ⅱ光纤液位计，罐外不需任何结构装置。

若将UQG-Ⅱ光纤液位计安装在储罐的根部，则在罐身焊接横衬固定护管。

4）、由于采用光缆传输液位信号，因此电源不进现场，实现无电检测。

5）、光缆传输信用卡号抗干扰能力强，具有良好的稳定性。

4.2光纤液位传感器应用
光纤液位计适用于石油、化工、电力、冶金、交通运输、国防军事部门的常压罐、压力罐以及过程出现负压的贮罐（立罐、卧罐、球罐、内浮顶、外浮顶）等液态介质的生产量、贮存量、消耗量、灌注量的检测、报警、控制与管理。

5光纤传感器发展方向
光纤传感技术经过20余年的发展也已获得长足的进步，出现了很多实用性的产品，然而实际的需要是各种各样的，光纤传感技术的现状仍然远远不能满足实际需要。

目前，光纤传感器技术发展的主要方向是。

(1) 传感器的实用化研究。

即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量，要能够对多种物理量进行同时测量。

(2) 提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度，降低其成本，设计复杂的传感器网络工程。

注意分布式传感器的参数，即压力、温度，特别是化学参数(碳氢化合物、一些污染物、湿度、PH值等)对光纤的影响。

(3) 传感器用特殊光纤材料和器件的研究。

例如:增敏和去敏光纤、荧光光纤、电极化光纤的研究等。

这些将是以后传感器进一步发展的趋势。

(4) 在恶劣条件下(高温、高压、化学腐蚀)低成本传感器(支架、连接、安装)的开发和应用。

(5) 新传感机理的研究，开拓新型光纤传感器。

参考文献
1.《传感器原理及应用》黄贤武，郑筱霞.高等教育出版社,电子科技大学出版社.
2.《光纤传感器的应用》闫若颖,王月香,李淑悦,2007年1月出版.
3.《传感器与传感器技术》何道青.科学出版社,2004年8月1日出版.。