光纖傳感器中的機(jī)械測(cè)試技術(shù) 摘要 ：本文主要 根據(jù) 光纖傳感器 發(fā)展過程與基本的原理 ， 因而 分析出光纖傳感器在測(cè)量技術(shù)中的應(yīng)用以及光纖液位傳感器特點(diǎn)與 應(yīng)用， 光纖傳感器 發(fā)展方向。 關(guān)鍵字 ： 原理；應(yīng)用；發(fā)展方向 1. 發(fā)展過程 光導(dǎo)纖維傳感器（簡(jiǎn)稱 光纖傳感器 ）是 20 世紀(jì)七十年代迅速發(fā)展起來的一種新型傳感器。 光纖 最早用于通訊，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器得到進(jìn)一步發(fā)展。 一直以 來， 傳感器 在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中， 光纖 傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍受青睞。 近年來 ，光纖 傳感器 監(jiān)測(cè)技術(shù)伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來。與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)： 1） 光纖傳感器以光信號(hào)作為載體，光纖為媒質(zhì)，光纖的纖芯材料為二氧化硅，因此，該傳感器具有耐腐蝕、抗電磁干擾、防雷擊等特點(diǎn)，屬本質(zhì)安全。 2） 光纖本身輕細(xì)纖柔，光纖傳感器的體積小、重量輕，不僅限于布設(shè)安裝，而且對(duì)埋調(diào)部位的材料性能和力學(xué)參數(shù)影響甚小，能實(shí)現(xiàn)無損埋設(shè)。 3） 靈敏度高，可靠性好，使用壽命長(zhǎng)。分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)除了具有以上的特點(diǎn)外，還具有以下兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：可以準(zhǔn)確地測(cè)出光 纖沿線任一點(diǎn)的監(jiān)測(cè)量，信息量大，成果直觀；光纖既作為傳感器，又作為傳輸介質(zhì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅方便施工，潛在故障大大低于傳統(tǒng)技術(shù)，可維護(hù)性強(qiáng)，而且性能價(jià)格比好。 分布式光纖經(jīng)久耐用，安全可靠，由它構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)可以遍布?jí)误w，這些光纖網(wǎng)絡(luò)猶如神經(jīng)系統(tǒng)，可以感知壩體各部位相關(guān)信息，大壩因此而有望成為一種機(jī)敏結(jié)構(gòu)。分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)是當(dāng)代高科技的結(jié)晶，是一種理想的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，廣大安全監(jiān)測(cè)工作者應(yīng)予以積極推廣。 2. 基本工作原理 光纖 傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、 頻率 、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的 信號(hào) 光，在經(jīng)過光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。 光纖傳感器一般是由光源、接口、光導(dǎo)纖維、光調(diào)制機(jī)構(gòu)、光電探測(cè)器和信號(hào)處理系統(tǒng)等部分組成。來自光源的光線，通過接口進(jìn)入光纖，然后將檢測(cè)的參數(shù)調(diào)制成幅度、相位、色彩或偏振信息，最后利用微處理器進(jìn)行信息處理。概括光纖傳感器一般由三部分組成，除光纖之外，還必須有光源和光探測(cè)器兩個(gè)重要部件 。見下圖（ 1）所示。 圖（ 1） 3. 應(yīng)用 光纖傳感器的應(yīng)用范圍很廣，幾乎涉及國(guó)民 經(jīng)濟(jì) 的所有重要領(lǐng) 域和人們的日常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環(huán)境中使用，解決了許多行業(yè)多年來一直存在的技術(shù)難題，具有很大的市場(chǎng)需求。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面的應(yīng)用 : (1) 城市建設(shè)中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應(yīng)用。光纖傳感器可預(yù)埋在混凝土、碳纖維增強(qiáng)塑料及各種復(fù)合材料中，用于測(cè)試應(yīng)力松 弛、施工應(yīng)力和動(dòng)荷載應(yīng)力從而來評(píng)估橋梁短期、施工階段和長(zhǎng)期營(yíng)運(yùn)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)性能。 (2) 在電力系統(tǒng)，需要測(cè)定溫度、電流等參數(shù)，如對(duì)高壓變壓器和大型電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)的溫度檢測(cè)等，由于電類傳感器易受強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾，無法在這些場(chǎng)合中使用，只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發(fā)展起來的一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的高新技術(shù)，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)不僅具有普通光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，還具有對(duì)光纖沿線各點(diǎn)的溫度的分布式傳感能力，利用這種特點(diǎn)我們可以連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量光纖沿線幾公里內(nèi)各點(diǎn)的溫度，定位精度可達(dá)米的量級(jí)， 測(cè)溫精度可達(dá) 1 度的水平，非常適用于大范圍多點(diǎn)測(cè)溫的應(yīng)用場(chǎng)合。 (3) 在石油化工系統(tǒng)、礦井、大型電廠等，需要檢測(cè)氧氣、碳?xì)浠衔铩?用電類傳感器不但達(dá)不到要求的精度，更嚴(yán)重的是會(huì)引起安全事故。因此，研究和開發(fā)高性能的光纖氣敏傳感器，可以安全有效地實(shí)現(xiàn)上述檢測(cè)。 (4) 在環(huán)境監(jiān)測(cè)、臨床醫(yī)學(xué)檢測(cè)、食品安全檢測(cè)等方面，由于其環(huán)境復(fù)雜，影響因素多，使用其它傳感器達(dá)不到所需要的精度，并且易受外界因素的干擾，采用光纖傳感器可以具有很強(qiáng)的抗干擾能力和較高的精度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)上述各領(lǐng)域的生物量的快速、方便、準(zhǔn)確 地檢測(cè)。目前，我國(guó)水源的污染情況嚴(yán)重，臨床檢驗(yàn)、食品安全檢測(cè)手段比較落后，光纖傳感器在這些領(lǐng)域具有極好的市場(chǎng)前景。 (5) 醫(yī)學(xué)及生物傳感器。醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用光纖輻射劑量計(jì)、呼吸系統(tǒng)氣流傳感系統(tǒng) ;圓錐形微型 量氧氣濃度及其他生物參數(shù) ;用 測(cè)氫氧化物及其他化學(xué)污染物 ;光纖表面細(xì)胞質(zhì)粒基因組共振生物傳感器 ;生物適應(yīng) 統(tǒng)應(yīng)用于海水監(jiān)測(cè)、生化技術(shù)、醫(yī)藥。 光纖傳感器在實(shí)踐中運(yùn)用到的例子舉不勝舉，這些技術(shù)都是多學(xué)科的綜合，涵蓋的知識(shí)面廣，象光纖陀螺，火花塞光纖傳感器，光纖傳感復(fù)合材料，以及利 用光 纖傳感器對(duì)植物葉綠素的研究等等；隨著科技的不斷進(jìn)步，越來越多的光纖 傳感器將面世，它將被應(yīng)用到生產(chǎn)生活的每一個(gè)角落。 4優(yōu)點(diǎn) 1）采用光波傳遞信息，不受電磁干擾，電氣絕緣性能好，可在強(qiáng)電磁干擾下完成傳統(tǒng)傳感器難以完成的某些參量的測(cè)量，特別是電流，電壓測(cè)量。 2）光波傳輸無電能和電火花，不會(huì)引起被測(cè)介質(zhì)的燃燒，爆炸；光纖耐高溫，耐腐蝕性；因而能在易燃，易爆和強(qiáng)腐蝕性的環(huán)節(jié)中安全工作。 3）某些光纖傳感器的工作性能優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器，如加速度計(jì)，磁場(chǎng)計(jì)，稅聽器等。 4）重量輕，體積小，可擾性好，有利于狹 隘空間使用。 5）光纖傳感器具有良好的幾何形狀適應(yīng)性，可做成任意形狀的傳感器和傳感器陣列。 6）頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大，對(duì)被測(cè)對(duì)象不產(chǎn)生影響，有利于提高測(cè)量精度。 7）利于現(xiàn)有的光通信技術(shù)，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)控。 用 （一） 工作原理 型光纖液位計(jì)是根據(jù)力平衡原理測(cè)量?jī)?chǔ)罐液位的儀表。它由浮球、光纖傳感器、力平衡傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、光電變換器、光纜及智能式數(shù)顯表等所組成。其工作原 理簡(jiǎn)述如下： 在力平衡機(jī)構(gòu)的作用下，浮球把感測(cè)到的液位的變化量，通過鋼絲繩傳遞給測(cè) 量裝置內(nèi)的磁偶合器，在磁偶 合器的作用下使隔離的光纖傳感器感受到位移的變 化量，并通過光纖送出光信號(hào)給光電變換器變換成電信號(hào)給智能式數(shù)顯示液位，智能式數(shù)顯表可以根據(jù)用戶的要求實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，輸出 4 現(xiàn)液位的檢測(cè)與控制。 圖 (2)工作原理圖 特點(diǎn) ： 1） 、 光纖液位計(jì)備有機(jī) 械指針來顯示貯罐液位，不用人工檢尺，斷電后仍可指示貯罐液位，其示值可用來校核二次表顯示值或標(biāo)定初始值，適用于封存罐。 2） 、液位計(jì)主機(jī)與傳感器為隔離式，模塊化部件可離線檢修，在線安裝維 護(hù)比較方便 。 3） 、 光纖液位計(jì)一般安裝在儲(chǔ)罐頂上，只需貯罐頂部有 大于 法蘭，即可安裝 光纖液位計(jì)，罐外不需任何結(jié)構(gòu)裝置。若將 光纖液位計(jì)安裝在儲(chǔ)罐的根部，則在罐身焊接橫襯固定護(hù)管。 4） 、由于采用光纜傳輸液位信號(hào)，因此電源不進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)無電檢測(cè)。 5） 、光纜傳輸信用卡號(hào)抗 干擾能力強(qiáng)，具有良好的穩(wěn)定性。 （二） 光纖液位傳感器 應(yīng)用 光纖液位計(jì)適用于石油、化工、電力、冶金、交通運(yùn)輸、國(guó)防軍事部門的常壓罐、壓力罐以及過程出現(xiàn)負(fù)壓的貯罐（立罐、臥罐、球罐、內(nèi)浮頂、外浮頂）等液態(tài)介質(zhì)的生產(chǎn)量、貯存量、消耗量、灌注量的檢測(cè)、報(bào)警、控制與管理 。 展方向 光纖傳感技術(shù)經(jīng)過 20 余年的發(fā)展也已獲得長(zhǎng)足的進(jìn)步，出現(xiàn)了很多實(shí)用性的產(chǎn)品，然而實(shí)際的需要是各種各樣的，光纖傳感技術(shù)的現(xiàn)狀仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要。目前，光纖傳感器技術(shù)發(fā)展的主要方向是。 (1) 傳感器的實(shí)用化研究。即一種 光纖傳感器不僅只針對(duì)一種物理量，要能夠?qū)Χ喾N物理量進(jìn)行同時(shí)測(cè)量。 (2) 提高分布式傳感器的空間分辨率、靈敏度，降低其成本，設(shè)計(jì)復(fù)雜的傳感器 網(wǎng)絡(luò) 工程。注意分布式傳感器的參數(shù)，即壓力、溫度，特別是化學(xué)參數(shù) (碳?xì)浠衔?、一些污染物、濕度?等 )對(duì)光纖的影響。 (3) 傳感器用特殊光纖材料和器件的研究。例如 :增敏和去敏光纖、熒光光纖、電極化光纖的研究等。這些將是以后傳感器進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)。 (4) 在惡劣條件下 (高 溫、高壓、化學(xué)腐蝕 )低成本傳感器 (支架、連接、安裝 )的開發(fā)和應(yīng)用。 (5) 新傳感機(jī)理的研究，開拓新型光纖傳感器。 參考文 . 4 參考文 1. 秦樹人，等。機(jī)械工程測(cè)試原理與技術(shù)