1、/*/介紹光纖近年來(lái)，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(guò)程中，光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能；絕緣、無(wú)感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)），或者對(duì)人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。 優(yōu)點(diǎn)一。靈敏度較高； 二。幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖傳感器； 三?？梢灾圃靷鞲懈鞣N不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件； 四?？梢杂糜诟?/p>

2、壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境； 五。而且具有與光纖遙測(cè)技術(shù)的內(nèi)在相容性。 應(yīng)用范圍：光纖傳感器應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，涉及石油化工、電力、醫(yī)學(xué)、土木工程等諸多領(lǐng)域。/*應(yīng)用（正題）*/4.1 光纖傳感器在石油化工系統(tǒng)的應(yīng)用在石油化工系統(tǒng)中， 由于井下環(huán)境具有高溫、高壓、化學(xué)腐蝕以及電磁干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，使得常規(guī)傳感器難以在井下很好地發(fā)揮作用。然而光纖本身不帶電，體小質(zhì)輕，易彎曲，抗電磁干擾、抗輻射性能好。特別適合于易燃易爆、空間受嚴(yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。4.1.1 光纖傳感器在油氣勘探4中的應(yīng)用應(yīng)用光纖傳感器可以制成井下分光計(jì)，分布式溫度傳感器及光纖壓力傳感器等適用于這種特殊

3、作業(yè)要求的產(chǎn)品。(1) 井下分光計(jì)它由兩個(gè)傳感器合成：一個(gè)是吸收光譜分光纖，另一個(gè)是熒光和氣體探測(cè)器。井下流體通過(guò)地層探針被引入出油管，光學(xué)傳感器用于分析出油管內(nèi)的流體。流體分析分光計(jì)則提供了原位井下流體分析，并對(duì)地層流體的評(píng)估加以改進(jìn)。(2) 分布式溫度傳感器光纖分布式溫度傳感器是井下應(yīng)用最為流行的光纖傳感器。應(yīng)用實(shí)例是監(jiān)測(cè)注水蒸氣重油開(kāi)采系統(tǒng)。蒸汽被注入重油層用以降低油的黏度，使稠油能夠開(kāi)采出來(lái)。井下蒸汽溫度可高達(dá)250 以上。圖1 流體分析儀構(gòu)造(3) 壓力傳感器側(cè)孔光纖式壓力傳感器其主要致力于超高溫和井下壓力監(jiān)測(cè)任務(wù)，但目前正在研發(fā)中4.1.2 光纖傳感器在石油測(cè)井中的應(yīng)用石油測(cè)井是石

4、油工業(yè)最基本和最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，壓力、溫度、流量等參量是油氣井下的重要物理量，通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)這些量進(jìn)行長(zhǎng)期的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)獲取油氣井下信息，對(duì)石油工業(yè)具有極為重要的意義5。利用光纖傳感器可以進(jìn)行井下流量測(cè)量、溫度測(cè)量、壓力測(cè)量、含水(氣)測(cè)量、密度測(cè)量、聲波測(cè)量等。(1) 流量測(cè)量由于光的強(qiáng)度、相位、頻率、波長(zhǎng)等特性在光纖傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)受到流量的調(diào)制，利用一定的光檢測(cè)方法把調(diào)制量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，就可以求出流體的流量，這就是光纖流量計(jì)的工作原理7。(2) 溫度及壓力測(cè)量分布式光纖測(cè)量系統(tǒng)(DTS)利用光纖后向拉曼散射的溫度效應(yīng)，可以對(duì)光纖所在的溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。光纖熱色溫度傳感器是由白光源

5、、多模光纖組成的反射式溫度傳感器；光纖輻射式溫度傳感器利用黑體輻射能量，其非接觸，可測(cè)瞬問(wèn)溫度，響應(yīng)速度快，不需要熱平衡時(shí)間，可用于高溫測(cè)量。(3) 含水(氣)率及密度測(cè)量U型光纖的傳輸功率隨外界介質(zhì)折射率變化而變化，光波作為信息載體，與混合流體電阻率、流型及水質(zhì)無(wú)關(guān)，基于該原理的光纖持率密度傳感器從本質(zhì)上解決了現(xiàn)有持率存在的高含水無(wú)分辨率和放射性物質(zhì)的應(yīng)用問(wèn)題，對(duì)于多相流體油、水、氣的折射率各不相同，因而混合流體的折射率會(huì)隨著油、水、氣比例的改變而改變。因此這種折射率調(diào)制型光纖傳感器不僅能測(cè)流體持率，可同時(shí)測(cè)流體密度，其精度較高。(4) 聲波測(cè)量地震波在不同的介質(zhì)中傳播，接收到的地震波波形就

6、會(huì)不同，根據(jù)不同的地震波形態(tài)，可識(shí)別地層沉積序列和沉積構(gòu)造，為儲(chǔ)層定位、判斷竄槽、檢測(cè)套管破損及斷裂、射孔層位及確定流體流量等。VSP地震測(cè)井，就是把檢波器放人井中，通過(guò)地面擊發(fā)的地震波或利用井中流體流動(dòng)等產(chǎn)生的微震動(dòng)，由井中的檢波器接收地震信號(hào)。永久井下光纖三分量地震測(cè)量具有高的靈敏度和方向性，能產(chǎn)生高精度的空間圖像，不僅能提供近井眼圖像，而且能提供井眼周圍地層圖像，測(cè)量范圍能達(dá)數(shù)千公里。它能經(jīng)受惡劣環(huán)境條件，且沒(méi)有可移動(dòng)部件和井下電子器件，能經(jīng)受強(qiáng)的沖擊和震動(dòng)，可安裝在復(fù)雜的完井管柱極小的空間4.2 光纖傳感器在電力系統(tǒng)的應(yīng)用電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布面廣，在高壓電力線和電力通信網(wǎng)絡(luò)上存在

7、著各種各樣的隱患，因此，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各種線路、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。4.2.1 在高壓電纜溫度和應(yīng)變測(cè)量中的應(yīng)用在理想情況下，光纖應(yīng)被置于盡可能靠近電纜纜芯的位置，以更精確地測(cè)量電纜的實(shí)際溫度。對(duì)于直埋動(dòng)力電纜來(lái)說(shuō)，表貼式光纖雖然不能準(zhǔn)確地反映電纜負(fù)載的變化，但是對(duì)電纜埋設(shè)處土壤熱阻率的變化比較敏感，而且能夠減少光纖的安裝成本。4.2.2 在電功率傳感器中的應(yīng)用電功率是反映電力系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)幕倦娏?，電功率測(cè)量是電力計(jì)量的一項(xiàng)重要內(nèi)容。光纖電功率傳感器的主要特點(diǎn)是：由于電功率傳感同時(shí)涉及電壓、電流2個(gè)電量，因而通常需要同時(shí)考慮電光、磁光效應(yīng)，同時(shí)利用2種傳感介質(zhì)或1種多功能介質(zhì)作

8、為敏感元件，這使得光纖電功率傳感頭的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜；光纖電功率傳感器的光傳感信號(hào)中有時(shí)同時(shí)包含電壓、電流信號(hào)，因此其信號(hào)檢測(cè)與處理方法也將比較復(fù)雜。4.2.3 在電力系統(tǒng)光纜監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用通過(guò)測(cè)量沿光纖長(zhǎng)度方向的布里淵散射光的頻移和強(qiáng)度，可得到光纖的溫度和應(yīng)變信息，且傳感距離較遠(yuǎn)，所以有深遠(yuǎn)的工程研究?jī)r(jià)值。基于布里淵光時(shí)域反射(BOTDR)的分布式光纖傳感系統(tǒng)11，采用相干檢測(cè)技術(shù)，系統(tǒng)原理如圖2所示。圖2 基于BOTDR傳感系統(tǒng)原理BOTDR光纖傳感系統(tǒng)測(cè)量的是光纖的自發(fā)布里淵散射信號(hào)，其信號(hào)強(qiáng)度非常微弱，但可以采用相干檢測(cè)技術(shù)提高系統(tǒng)信噪比。這種方案可單光源、單端工作，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，而且

9、可同時(shí)監(jiān)測(cè)光纖斷點(diǎn)、損耗、溫度和應(yīng)變。4.3 傳光光纖傳感器在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用醫(yī)用光纖傳感器目前主要是傳光型的。以其小巧、絕緣、不受射頻和微波干擾、測(cè)量精度高及與生物體親合性好等優(yōu)點(diǎn)備受重視。本文將主要介紹傳光光纖在壓力測(cè)量、血流速度測(cè)量、pH值測(cè)量三個(gè)方面的應(yīng)用。此外，它還可以應(yīng)用于測(cè)量溫度和醫(yī)用圖像傳輸上面。4.3.1 壓力測(cè)量目前臨床上應(yīng)用的壓力傳感器主要用來(lái)測(cè)量血管內(nèi)的血壓、顱內(nèi)壓、心內(nèi)壓、膀胱和尿道壓力等。用來(lái)測(cè)量血壓的壓力傳感器示意見(jiàn)圖3。其中對(duì)壓力敏感的部分是在探針導(dǎo)管末端側(cè)壁上的一塊防水薄膜，一面帶有懸臂的微型反射鏡與薄膜相連，反射鏡對(duì)面是一束光纖，用來(lái)傳遞入射光到

10、反射鏡，同時(shí)也將反射光傳送出來(lái)。當(dāng)薄膜上有壓力作用時(shí)。薄膜發(fā)生形變且能帶動(dòng)懸臂使反射鏡角度發(fā)生改變，從光纖傳來(lái)的光束照射到反光鏡上，再反射到光纖的端點(diǎn)。由于反射光的方向隨反射鏡角度的變化而改變，因此光纖接收到的反射光的強(qiáng)度也隨之變化12。這一變化通過(guò)光纖傳到另一端的光電探測(cè)器變成電信號(hào)，這樣通過(guò)電壓的變化便可知探針處的壓力大小。圖3 光纖體壓計(jì)探針4.3.2 血流速度測(cè)量多普勒型光纖速度傳感器測(cè)量皮下組織血流速度的示意見(jiàn)圖4。此裝置利用了光纖的端面反射現(xiàn)象，測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。圖4 光纖體壓計(jì)探針發(fā)光頻率為f的激光經(jīng)透鏡，光纖被送到表皮組織。對(duì)于不動(dòng)的組織，例如血管壁，所反射的光不產(chǎn)生頻移；而對(duì)

11、于皮層毛細(xì)血管里流速為 的紅細(xì)胞，反射光要產(chǎn)生頻移，其頻率變化為f；發(fā)生頻移的反射光強(qiáng)度與紅細(xì)胞的濃度成比例，頻率的變化值可與紅細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)速度成正比。發(fā)射光經(jīng)光纖收集后，先在光檢測(cè)器上進(jìn)行混頻，然后進(jìn)人信號(hào)處理儀，從而得到紅細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)速度和濃度。4.3.3 pH值測(cè)量用來(lái)測(cè)定活體組織和血液值pH光纖光譜傳感器示意圖，如圖5所示。其工作原理是利用發(fā)射光、透射光的強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的分布光譜來(lái)進(jìn)行測(cè)量。這種傳感器將兩根光纖插入可透過(guò)離子的纖維素膜盒中膜盒內(nèi)裝有試劑，當(dāng)把針頭插入組織或血管后，體液滲入試劑，導(dǎo)致試劑吸收某種波長(zhǎng)的光用光譜分析儀測(cè)出此種變化，即可求得血液或組織的pH值13。圖5 測(cè)定pH值的光纖光譜儀4.4 光纖傳感器在土木工程中的應(yīng)用在大型土木工程中如果發(fā)生事故，極易造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，所以工程安全性成為工程設(shè)計(jì)者及科研人員極為關(guān)注和重視的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外研究和工程實(shí)踐表明：光纖光柵傳感器滿足了土木工程測(cè)量的高精度、遠(yuǎn)距離、分布式和長(zhǎng)期性的技術(shù)要求，為解決上述關(guān)鍵問(wèn)題提供了良好的技術(shù)手段。4.4.1 在橋梁監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用目前，應(yīng)用光纖光柵傳感器最多的領(lǐng)域之一當(dāng)數(shù)