光纤传感器的研究及应用研究

高安平

【摘 要】在现代各种工程当中，测量技术十二分的重要，而在测量技术中，传感器起着举足轻重的作用，它与测量的精密度及准确度密切相关。在众多种类的传感器当中，光纤传感器传感最为快速，反映物体变化最为精确，因而在各种测量器中广泛使用。本文在此将对光纤传感器做出研究，阐释其作用原理，说明其工作特点，并且列举光纤传感器在一些领域的应用情况，以供参考。

【关键词】光纤传感器；研究；应用

0 前言

随着我国经济的腾飞，我国在科研上投入的经费更加巨大，科技水平不断提高，随之提高的是我国电气自动化的程度，而各种自动化的电器内部总少不了传感器这一必要的元件。光纤传感器是所有传感器中最重要的、使用范围最广的一种。光纤传感器的作用原理是使来自光源的光波经过调制器，而后与待测参数相互作用而发生性质上的变化，变成信号光，再送入探测器，解调后获得被测的参数。光纤传感器与其他的传感器相比有更多的优点，比如说，更加耐腐蚀，对介质的影响较小，抗电磁干扰能力强等等。因此，在我国诸多领域中，光纤传感器都有应用。本文在此将对光纤传感器进行较为详细的研究，并且列举光纤传感器的一些应用，以供有兴趣者参考。

1 光纤传感器的研究

1.1 光纤传感器概述

机械总是朝着越来越精确的方向发展，而在这一过程中，离不开更加灵敏、更加精确的传感器。之所以光纤传感器能在众多的传感器脱颖而出，是因为光纤传感器具有灵敏度高、精确度高、适应性强、抗电磁干扰能力强等优点。光纤传感器因在反射体中使用了棱镜，反射光线的能力更强，因而与其他的反射型光控传感器相比，检测性能更高，检测结果更加准确。光纤传感器的电路设计更加简单，连接更加容易，但是稳定性却比一般的分离式光控传感器高得多，更加不容易受到外界环境的影响。另外，光纤传感器在设计上的巧妙点还在于它使用了子母扣嵌入式设计，这使得光纤传感器在安装过程中更加的方便快捷。

1.2 光纤传感器的原理

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，使得需要测量的参数和进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质发生变化，比如光强、频率、相位、波长及偏振状态等等，这时的光由普通光转化为带有被测物参数信息的信号光，再送入解调器中，将光波所包含的被测物参数还原出来，最终完成测量过程。光纤传感器一般分为两种：一种，是功能性光纤传感器，另一种，是传光型光纤传感器。功能性光纤传感器的工作原理是利用光线本身的敏感特性或功能特性，将输入的物理量转变为光信号，即光波的相位、强度或频率等在环境的影响下发生变化，在解调后将光反应的信息转化为可测得数据。传光型光纤传感器的工作原理是在光纤端面或中间加装其他的更加敏感的元件，使其感知被测物的变化，而光纤仅仅起到传输光的作用。

1.3 光纤传感器的特点

光纤传感器有以下几大特点：光纤传感器的灵敏度高，因为光纤传感器使用的是光波，传播速度快，而且不易受到其他因素的干扰，因而能够及时准确地反映出被测物的微小变化；光纤传感器的几何形状可以多变，从而能够适应各种不同位置测量的需要，比如较常规的对大型物体的测量可以随意用不同的形状，但用来探测人体内部病变的部位则需要用较细的探测器；光纤传感器具有较强的抗电磁干扰能力，因而可以在高压地区、强电力辐射区不受干扰的进行测量；光纤传感器所用的材料是硅的氧化物，而硅的氧化物具有耐高温高压、抗腐蚀、抗氧化等特性，所以光纤传感器可以在各种恶劣的环境中；由于光可以调制成富含各种不同的物理量声波、磁力、温度的信号，所以光纤传感器可以用来测量多种不同的物理量，而不容易受到限制。

2 光纤传感器的应用

2.1 光纤传感器在测量金属丝杨氏模量方面的应用

金属丝的杨氏模量是衡量金属丝的性能的重要依据，因此，必须用更加准确地方法测量金属丝的杨氏模量。而使用光纤传感器测量仪测量杨氏模量不仅操作简单，而且其结果的准确性、可靠性大大提高。传统的测量方法是拉伸法，其基本原理是使金属丝受到砍码的作用力，这时金属丝会发生微小的形变，然后在镜尺组的光路转换中将这个微小的形变放大几倍，最后计算出杨氏模量。而应用了光纤传感器的红外光测距仪测量的灵敏度、精确度、准确度都有很大的提高，红外线测量仪可以用来直接测量3毫米以内的微小形变，而且几乎没有误差。另一种反射式光纤位移传感器也是用来测量杨氏模量的仪器，它采用两束多模光纤，一端合并组成光纤探头，另一端分为两束，分别是光源光纤和接受光纤。在测量时，将传感器固定在支架上，而后通过改变杨氏模量仪上的金属丝位置，使仪表的电势差发生变化，多次测量后，通过计算得出杨氏模量。

2.2 光纤传感器在温度测量方面的应用

我们都知道光纤传感器是根据光在光导纤维中传播而传递信息进行测量的，而光在光导纤维中传播时，光的光强，波长，频率等，物理量都会受到外界温度、电磁波、电磁场的影响，会产生一定的变化，而光纤传感器在测量温度方面的应用正是利用了这一微小的变化。利用温度引起的光纤相位变化来反映温度的变化，这种测温仪器被称为调制传感型光纤测温仪，此外，还有根据光的振幅变化、偏振态变化等原理做成的温度测量装置，而这些装置同样稍加改造，就可以用来测量其他方面的物理量。

2.3 光纤传感器在土木工程领域的应用

光纤传感器在土木工程领域也得到了广泛应用。在土木工程领域，光纤传感器多用来测量大型的结构、桥梁的安全性能、混凝土结构变形及内部的应力等等，最重要的是光纤传感器作为一种新型的应变传感器而发挥出巨大的作用。光纤传感器与普通传感器相比一般来说更加小巧，因此可以深入混凝土的损伤裂缝中进行测量，以确定混凝土内部损伤的形式及扩展方式；光纤传感器质量比较轻，能够倒置粘贴在天花板，或野外的树枝及山洞壁上，可以从各种不同的角度进行测量；土木工程领域一般所需要的数据都比较精确，光纤传感器恰好满足这一条件，据调查，使用光纤传感器所测出的数据更加符合标准，能为土木工程的施工建设提供详细准确的数据参考。

2.4 光纤传感器在新领域的应用

在互联网发展迅速的今天，人们更加喜欢通过无线传输数据，来控制物体或机械，因此，一个新的概念便产生了，那就是物联网。而光纤传感器使得物联网的发展更加快速，因为光纤传感器的灵敏度高，准确性高，适应性强等特点可以使物联网运行更加准确，反应更加快速。人们如今在研发当中的全智能机器人更是离不开光纤传感器的作用，机器人的各种感知能力都依赖于光纤传感器所感知的信号，光纤传感器就是机器人的眼睛、鼻子和耳朵。除此之外，光纤传感器在国防安全方面也发挥着巨大的作用，在一些危险的核试验基地、核电站或者边境线等环境恶劣的地方，基础设施比较差，甚至不能在野外供电，因此需要一款室外无源监控系统，而光纤传感器正是这一系统的主要部件，可以在不供电的情况下提供有效的安全监控。

3 结语

如今光纤传感器无论是在国内还是国际市场上都十分畅销，各种不同档次的光纤传感器可满足人们的不同需求，它主要运用在以下五大领域，石油和天然气的探测、航空航天、交通运输、生物医学以及民用基础工程建设，而在未来，相信光纤传感器会因其优异的性能、超强的适应性、抗电磁干扰能力而应用于更家广泛的领域，更加为人们所青睐。

【参考文献】

[1]顾波波.新型结构光纤传感器及其应用研究[D].浙江大学，2012.

[2]廖延彪，黎敏.光纤传感器的今日与发展[J].传感器世界，2004，02：6-12.

[责任编辑：杨玉洁]