什么是光纖傳感器

光纖傳感技術(shù)利用光在光纖中傳播時(shí)的物理特性來(lái)檢測(cè)溫度、聲音、振動(dòng)和應(yīng)變的變化。光纖傳感器是一種把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置，由放大器（控制中心）及光纖構(gòu)成。光纖傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是成本低，光纖和外部傳感器之間不需要離散接口。

光纖傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景

• 電信光纜
• 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)傳感：管道、橋梁
• 火災(zāi)探測(cè)
• SHM（結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)）
• 石油與天然氣
• 電力與公用事業(yè)
• 安全與安保
• 工業(yè)
• 土木工程
• 光網(wǎng)絡(luò)傳感：保護(hù)、檢查或監(jiān)控光纖網(wǎng)絡(luò)
• 運(yùn)輸
• 其他

光纖傳感器類(lèi)型

光纖傳感器分為點(diǎn)傳感器、準(zhǔn)分布式傳感器和分布式光纖傳感器。

• 點(diǎn)傳感器

在點(diǎn)傳感器中，每個(gè)傳感器都是離散的，必須單獨(dú)回程，因此點(diǎn)傳感器適用于較短長(zhǎng)度的部署，同時(shí)基于光纖布拉格光柵（FBG）點(diǎn)傳感器可以在具有高分辨率和靈敏度的FBG的特定位置測(cè)量參數(shù)。

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• 準(zhǔn)分布式傳感器

準(zhǔn)分布式傳感器使用多個(gè)嵌入光纖的FBG，通過(guò)修改光纖芯的折射率，使得某些波長(zhǎng)的光能夠通過(guò)，而其他波長(zhǎng)的光反射回光源。每個(gè)FBG都可以反射特定的波長(zhǎng)，從而使每個(gè)FBG都可以沿光纖路徑識(shí)別。準(zhǔn)分布式傳感在整個(gè)光纜上并不敏感，但是在各個(gè)局部點(diǎn)極為敏感。

• 分布式光纖傳感器

分布式光纖傳感器（DFOS）是一種能夠沿整條光纖光纜進(jìn)行連續(xù)測(cè)量的技術(shù)，它具有以下特點(diǎn)：傳感元件、僅針對(duì)光纖、靈敏度高、抗電磁干擾以及測(cè)量范圍大。DFOS應(yīng)用類(lèi)型包括分布式溫度傳感（DTS）、分布式聲學(xué)傳感（DAS）和分布式應(yīng)變傳感（DSS）。DTS是將光纖本身作為傳感原件來(lái)測(cè)量整條光纖光纜的溫度分布，DTS代表的是一種在長(zhǎng)距離內(nèi)獲得準(zhǔn)確和高分辨率溫度測(cè)量的經(jīng)濟(jì)有效的辦法。DAS使用光纖來(lái)檢測(cè)聲學(xué)振動(dòng)。DSS是沿光纖傳感器光纜提供空間分辨率的延長(zhǎng)率曲線，通過(guò)在資產(chǎn)橫截面的不同位置組合多條傳感器光纜，DSS用于計(jì)算資產(chǎn)（被測(cè)設(shè)備）的延長(zhǎng)率（應(yīng)變）、形狀（彎曲半徑和彎曲方向）、扭曲度等。

光纖傳感器的工作原理

光纖傳感器的原理是光在光纖中傳播時(shí)遇到不均勻介質(zhì)會(huì)被散射，一部分的散射光會(huì)返回發(fā)射點(diǎn)從而被發(fā)射點(diǎn)的分析儀接收。這些返回的光會(huì)發(fā)生相位偏移等變化，分析儀通過(guò)分析這些變化就可以分析出光纖所測(cè)量的應(yīng)變、溫度、聲音等。

（一）光時(shí)域反射儀?(OTDR)原理

在OTDR原理中，固態(tài)或半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光脈沖并發(fā)送到光纖中，通過(guò)分析反向散射光以進(jìn)行溫度監(jiān)控，從反向散射光返回檢測(cè)單元的時(shí)間起，就可以定位溫度發(fā)生變化的位置。

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（二）光頻域反射儀?(OFDR)原理

OFDR原理提供了有關(guān)局部溫度特征的信息，僅當(dāng)信號(hào)在頻率函數(shù)中反向散射時(shí)，此信息才可用，同時(shí)該原則允許有效利用可用帶寬，此外它還可以在光纖中以最大更新速率實(shí)現(xiàn)分布式傳感。

光纖傳感的散射方法

• 拉曼散射效應(yīng)

拉曼散射效應(yīng)適用于DTS，該效應(yīng)在頻率和能量上與入射輻射的頻率和能量有一定差異，差異的變化量取決于分子散射能量和弛豫時(shí)在分子中獲得或損失的能量。

• 瑞利散射效應(yīng)

光子與光纖內(nèi)的粒子接觸后隨機(jī)散射的現(xiàn)象稱(chēng)為瑞利散射效應(yīng)，瑞利散射效應(yīng)用于DAS。

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（三）布里淵散射效應(yīng)

布里淵散射效應(yīng)描述了電磁場(chǎng)（光子）與光纖特征密度變化的相互作用，布里淵散射用于DSS。DSS與布里淵散射分析儀結(jié)合，其頻率變化與應(yīng)變變化為線性關(guān)系，比較方便讀取，可以監(jiān)測(cè)堤壩水位、水位變化，防止堤壩滲水。

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（四）光纖布拉格光柵

光纖布拉格光柵（FBG）是光纖芯內(nèi)的微結(jié)構(gòu)，包括對(duì)底層玻璃材料的折射率進(jìn)行周期性調(diào)制，如果核心內(nèi)引導(dǎo)的寬帶光照射到這個(gè)周期性微結(jié)構(gòu)上，一個(gè)特定的波長(zhǎng)會(huì)被反射，而其他所有的引導(dǎo)寬帶光都可以不受阻礙地通過(guò)，FBG具有作為應(yīng)變和溫度傳感器的獨(dú)特特性。

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光纖傳感光纜

光纖傳感器光纜可用于數(shù)據(jù)傳輸、溫度測(cè)量、聲音、振動(dòng)和應(yīng)變。光纖傳感器光纜可用于單模（SM）和多模（MM）光纖或者兩者的組合。對(duì)于MM光纖，選擇直徑為50μm或62.5μm的纖芯，與SM光纖相比這會(huì)使得更多的光在纖芯中傳播。目前，在大多數(shù)情況下50μm纖芯優(yōu)于62.5μm，并且已成為MM光纖的既定標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，MM纖維的橫截面具有漸變指數(shù)（GI），這意味著折射率在包層和纖芯之間的過(guò)度是逐漸的，這與階躍折射率光纖相反。在突變光纖中折射率從纖芯到包層急劇下降（主要用于SM光纖）。SM光纖的纖芯直徑為9μm，通過(guò)只允許光以一種模式傳播將模式色散最小化。MM光纖用于DTS，SM光纖用于DAS。光纖傳感器光纜的主要特點(diǎn)是能夠?qū)κ录?、溫度、?yīng)變、振動(dòng)和聲學(xué)測(cè)量進(jìn)行精確定位，不受電磁干擾（EMI）的影響，適用于爆炸性危險(xiǎn)區(qū)域，以及小型、靈活且純被動(dòng)傳感器元件。

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小結(jié)

光纖傳感器有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括高抗干擾性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、耐用性、輕巧緊湊的外形、本質(zhì)安全、低成本、實(shí)時(shí)且多點(diǎn)報(bào)警報(bào)告、易于部署、無(wú)需維護(hù)以及寬帶寬，并且光纖傳感廣泛運(yùn)用于不同領(lǐng)域。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的一文带你详细了解光纤传感器的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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