光纤传感器的应用实例

光纤传感器的应用实例（精选11篇）

1.光纤传感器的应用实例 篇一

6．4 传感器的应用实例

教学目标

（一）知识与技能

1．了解两个实验的基本原理。

2．通过实验，加深对传感器作用的体会，培养自己的动手能力。

（二）过程与方法

通过实验培养动手能力，体会传感器在实际中的应用。

（三）情感、态度与价值观

在实验中通过动手组装和调试，增强理论联系实际的意识，激发学习兴趣，培养良好的科学态度。

教学重点、难点

重点

1．了解斯密特触发器的工作特点，能够分析光控电路的工作原理。2．温度报警器的电路工作原理。难点

光控电路和温度报警器电路的工作原理。

教学方法

实验法、观察法、讨论法。

教学手段

实验过程中用到的有关器材、元器件等，由实验室统一准备

教学过程

（一）引入新课

随着人们生活水平的提高，传感器在工农业生产中的应用越来越广泛，如走廊里的声、光控开关、温度报警器、孵小鸡用的恒温箱、路灯的自动控制、银行门口的自动门等，都用到了传感器．传感器的工作离不开电子电路，传感器只是把非电学量转换成电学量，对电学量的放大，处理均是通过电子元件组成的电路来完成的．

这节课我们就来动手组装光控开关或温度报警器。

（二）进行新课 实验

1、光控开关

1．实验原理及知识准备

（投影）如图所示光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻，R1的最大电阻为51 kΩ，R2为 330 kΩ，试分析其工作原理．

白天，光强度较大，光敏电阻RG电阻值较小，加在斯密特触发器A端的电压较低，则输出端Y输出高电平，发光二极管LED不导通；当天色暗到一定程度时，RG的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端 A的电压上升到某个值（1.6V），输出端Y突然从高电平跳到低电平，则发光二极管LED导通发光（相当于路灯亮了），这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的目的．

（1）要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些还是调小些？为什么？

应该把R1的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值（如1.6V，就需要RG的阻值达到更大，即天色更暗。

（2）用白炽灯模仿路灯，为何要用到继电器？

由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯泡模仿路灯，就要使用继电器来启闭工作电路．

（投影）如图所示电磁继电器工作电路，图中虚线框内即为电磁继电器，D为动触点，E为静触点．试分析电磁继电器的工作原理．

当线圈 A中通电时，铁芯中产生磁场，吸引衔铁B向下运动，从而带动动触点D向下与E接触，将工作电路接通，当线圈A中电流为零时，电磁铁失去磁性，衔铁B在弹簧作用下拉起，带动触点D与E分离，自动切断工作电路．

试说明控制电路的工作原理。

天较亮时，光敏电阻RG阻值较小，斯密特触发器输入端A电势较低，则输出端Y输出高电平，线圈中无电流，工作电路不通；天较暗时，光敏电阻RG电阻增大，斯密特触发器输入端A电势升高，当升高到一定值，输出端Y由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈A，电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明后，RG阻值减小，斯密特触发器输入端A电势逐渐降低，降到一定值，输出端 Y突然由低电平跳到高电平，则线圈A不再有电流，则电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭．

分组实验。2．温度报警器

上一节我们学习了火灾报警器，它是利用烟雾对光的散射作用，使火灾发出的光引起光敏电阻的阻值变化，从而达到报警的目的．这种设计其敏感性是否值的怀疑，你想过吗？既然发生火灾时，环境温度要升高，我们能不能用温度传感器来做成火灾报警器呢？

（投影）温度报警器的工作电路，如图所示。试分析其工作原理。

常温下，调整R1的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻RT阻值减小，斯密特触发器输入端A电势升高，当达到某一值（高电平），其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声，Rl的阻值不同，则报警温度不同．

怎样使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警？

要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小R1的阻值，R1阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高．

分组实验。

（三）课堂总结、点评

本节课主要学习了以下几个问题：

光控开关

传感器的应用实例

温度报警器

（四）实例探究

电磁继电器与自动控制 【例1】现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干．如图所示，试设计一个温控电路．要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又可以自动断电，画出电路图说明工作过程．

第六章

传

感

器

（一）本章知识结构梳理（投影复习提纲，可以印发提纲，要求学生课下预习完成）1．什么是传感器？它是怎样的一类元件？

2．热敏电阻和金属热电阻是一回事吗？它们的阻值随温度分别怎样变化？ 3．霍尔电压UH=__________，式中各量分别表示什么？ 4．光敏电阻有何特性？

5．传感器应用的一般模式是怎样的？请画图表示。

6．常用的一种力传感器是由_________和__________组成的，________是一种敏感元件，现在多用半导体材料组成，受压时其上表面拉伸，电阻变_____，下表面压缩，电阻变_____。外力越大，这两个表面的电压差值就越_____。

7．指出以下传感器应用的实例中，所应用的传感器，或主要元件。（1）电子秤：_________的应用，敏感元件是_________（2）话筒：_________的应用，分_______和_________两种。

（3）电熨斗：_________的应用，敏感元件是_________，作用：控制________的通断。（4）电饭锅：_________的应用，敏感元件是_________，作用：控制________的通断。（5）测温仪：_________的应用，测温元件是________或_________、________、_________。（6）鼠标器：_________的应用，主要元件是________或_________（7）火灾报警器：_________的应用，利用烟雾对____________来工作的。

8．如图所示是光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻，R1的最大电阻为51 kΩ，R2为 330 kΩ，试分析其工作原理．

要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些还是调小些？

9．如图所示温度报警器的工作电路，试分析其工作原理。要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应该把R1的阻值调大些还是调小些？

（二）精题讲练

1、热敏电阻的特性

【例1】如图所示，将多用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻 R t（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻）的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间．若往R t上擦一些酒精，表针将向________（填“左”或“右”）移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向________（填“左”或“右”）移动。

针对练习1：如图所示，R 1为定值电阻，R 2为负温度系数的热敏电阻（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻），L为小灯泡，当温度降低时（）

A．R 1两端的电压增大

B．电流表的示数增大

C．小灯泡的亮度变强

D．小灯泡的亮度变弱

2、光敏电阻的特性 【例2】如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，（）

A．电压表的示数增大

B．R2中电流减小

C．小灯泡的功率增大

D．电路的路端电压增大

跟踪练习2： 如图所示，将多用电表的选择开关置于欧姆档，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间．若用不透光的黑纸将Rt包裹起来，表针将向_______（填“左”或“右”）转动；若用手电筒光照射Rt，表针将向_______（填“左”或“右”）转动。

3、力传感器的应用 【例3】如图所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑线电阻，阻值为R，长度为L，两边分别有P1、P2两个滑动头，P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动，弹簧处于原长时，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连，若P1、P2间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小．已知弹簧的劲度系数为k，托盘自身质量为m0，电源电动势为E，内阻不计，当地的重力加速度为g。求：

（1）托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1离A的距离xl．

（2）托盘上放有质量为m的物体时，P1离A的距离x2．

（3）在托盘上未放物体时通常先核准零点，其方法是：调节P2，使P2离A的距离也为xl，从而使P1、P2间的电压为零．校准零点后，将物体m放在托盘上，试推导出物体质量m与P1、P2间的电压U之间的函数关系式．

跟踪练习3：

磁场具有能量，磁场中单位体积所具有的能量叫做能量密度，其值为B2．式中B是磁感应强度，是磁导率，在空气中为一已知常数．为了近似测得条形磁2铁磁极端面附近的磁感强度B，一学生用一根端面面积为A的条形磁铁吸住一相同面积的铁片P，再用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离l，并测出拉力F，如图所示．因为F所做的功等于间隙中磁场的能量，所以由此可得磁感应强度B与F、A之间的关系为B=_______

4、温度传感器的应用

【例4】家用电热灭蚊器中电热部分的主要部件是PTC元件，PTC元件是由酞酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率与温度的关系如图所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、控温两重功能，对此以下说法中正确的是（）

A．通电后其功率先增大后减小 B．通电后其功率先减小后增大

C．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1至t2的某一值不变

D．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1或t2不变

跟踪练习4：一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度t变化的关系如图中实线①所示．由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物．

有一种用主要成分为BaTiO3被称为“PTC”的特殊材料作发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动控制温度的特点．PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线②所示．试根据图线分析：

（1）为什么原处于冷态的PTC熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温快？

（2）通电一段时间后电熨斗温度t自动地稳定在T_____

5、霍尔元件的应用

【例5】 如图所示，厚度为h、宽为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A′之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应。实验表明，当磁场不太强时电势差U，电流I和B的关系为U=k，式中的比例系数k称为霍尔系数。

霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧出现多余的正电荷，从而形成横向电场，横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。

设电流I是由电子定向流动形成的，电子的平均定向速度为v，电量为e，回答下列问题：（1）达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势

下侧面Ａ的电势（填高于、低于或等于）。

（2）电子所受的洛伦兹力的大小为。

（3）当导体板上下两侧之间的电势差为U时，电子所受的静电力的大小为

．

（4）由静电力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数k=

I，其中n代表导体板单位体ne积中电子的个数。

跟踪练习5：电磁流量计广泛应用于测量可导电流体（如污水）在管中的流量（在单位时间内通过管内横截面的流体的体积）。为了简化，假设流量计是如图7所示的横截面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c，流量计的两端与输送液体的管道相连接（图中虚线）。图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料，现于流量计所在处加磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面。当导电液体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻R的电流表的两端连接，I表示测得的电流值。已知流体的电阻率为ρ，不计电流表的内阻，则可求得流量为

A．IcIb(bR)

B．(aR)BaBcIaIbcC．(cR)

D．(R)

BbBa

2.光纤传感器的应用实例 篇二

光纤传感器是利用光纤优良的传输性能和奇特的传感功能来感测各种物理量和机械量, 由于其具有灵敏度高、固有安全性、抗电磁干扰性强、高绝缘性、质轻柔软和集传感与传输于一体, 以及能与数字通信系统兼容、防爆性好、光路可挠曲、易于与计算机连接、便于遥测、结构简单、体积小、重量轻、耗电少等诸多优点, 在军事领域有着极其广泛的应用前景。

目前, 国外光纤温度传感器可探测到2 000 ℃的高温, 灵敏度达±1 ℃。普通型光纤温度传感器探测范围为-10 ℃～300 ℃, 精度为±1 ℃～±3 ℃, 响应时间为2 s。利用GaAs、CdTe、GaP等半导体材料的吸收端可感知温度变化, 而制成的光纤温度传感器, 可获得±0.5 ℃的测量精度。用于低温范围的光纤温度传感器, 可测0.1 ℃的变化。光纤振动传感器在20～200 Hz范围内, 可感知1 μm甚至0.1 μm的振幅。光纤位移传感器测量范围为0.05～0.12 mm, 分辨率为0.01 mm。光纤微位移传感器可测位移为$0.8\stackrel{\text{o}}{{\displaystyle \text{A}}}‚$动态范围为110 dB。高灵敏度光纤加速度传感器已研制成功, 灵敏度为5×10-10g, 测量精度小于1 μg。光纤磁场传感器测量精度为10-10 Gs/M。在微弱磁场测定方面, 把磁致伸缩材料 (金属、玻璃) 套在光纤上, 对交流磁场测量灵敏度可达10-8 Gs/M。光纤电流传感器可测量电流为5～2 000 A。光纤测距仪精度达0.08～0.1%, 最远测量距离达30 m。光纤压力传感器可测0～8×105 Pa, 精度为1%。光纤角速度传感器是美国的重点研究项目之一, 将会很快出现实用产品。它适用于战略系统制导、战术导弹和其它场合, 灵敏度很高, 已达0.013°/h。

1军用光纤陀螺

目前国际上研究开发的光纤陀螺结构主要有3种, 即I-FOG (干涉型光纤陀螺) 、R-FOG (谐振腔型光纤陀螺) 和F-RLG (光纤环型激光陀螺) 。

光纤陀螺属于激光陀螺中的一种, 其原理与环型激光陀螺相同。不同的是:光纤陀螺是将200～300 m长的光纤绕制成直径为10～60 cm的圆形光纤环, 从而增长了激光束的检测光路, 使其灵敏度、精度和分辨率比激光陀螺提高了几个数量级, 有效地克服了激光陀螺的闭锁问题。

光纤陀螺最突出的优点如下:

a) 无运动部件, 仪器牢固稳定, 耐冲击和抗加速度运动;

b) 结构简单、零部件少、价格低廉;

c) 起动时间极短 (理论上可以瞬间起动) ;

d) 检测灵敏度和分辨率极高 (可达10-7 rad/s) ;

e) 可直接用数字信号输出, 与计算机接口联网;

f) 动态范围极宽 (约为2 000 °/s) ;

g) 寿命长, 信号稳定可靠;

h) 易于采用集成光路技术;

i) 克服了激光陀螺因闭锁带来的问题;

j) 可以与环型激光陀螺一起作为捷联惯性系统的传感器。

由于光纤陀螺的上述优点, 颇受许多国家陆、海、空三军的青睐, 并在近几年进行了大量的研究和试验。如美国20世纪80年代中期研制的中精度 (0.1°/h～10°/h) 战术光纤陀螺, 目前已装备在飞机和战术导弹飞行姿态的控制系统中;进入90年代美国海军研究所又研制了一种全光纤陀螺, 其漂移率达到0.005°/h, 惯导装置水平角度的短期分辨率已达5.3×10-7rad/s, 成为目前水平最高的光纤陀螺。随美国之后, 英、法、德、日以及原苏联等国主要致力于发展漂移率大于

1°/h的低性能光纤陀螺以装备海军和空军。如英国的航空系统设备公司已推出漂移率为10°/h的小型光纤陀螺, 目前已装备海军和空军。而日本和法国于80年代末分别研制出精度为0.1°/h～10°/h以及小于0.1°/h的小型光纤陀螺, 目前均装备于导航和导弹制导系统中。日本于1991年发射的TR-1A型全重力实验火箭系统是世界上首次采用光纤陀螺的实例。

表1列出了国外部分典型光纤陀螺的主要技术性能的比较。其中美国海军研究所研制出的一种光纤陀螺, 光源采用超发光二极管, 光纤长度为430 m。绕制成半径为16 cm的光纤环, 其短期分辨率可达到5.3×10-7rad/s, 漂移率仅为0.005°/h, 是目前精度最高的光纤陀螺, 可用于飞机、导弹和舰艇等武器和制导系统中。

2军用光纤水听器及其阵列

光纤水听器研究开发的主要推动力是反潜战。而声纳是现代反潜战的主要手段, 水听器是声纳的核心器件。由于光纤水听器与通常的压电陶瓷水听器相比, 具有重量轻、结构简单、完全被动工作、不需要电源和水下电子设备、抗电磁干扰、成本较低、能做成大型声纳阵列等诸多优点, 特别受到各国海军的重视。各国海军都希望用光纤水听器尽快代替目前在声纳中使用的压电陶瓷水听器。

光纤水听器通过测量声音所引起的光纤长度的形变来探测声音信号, 主要用于潜艇声纳、水面声纳系统、海洋声纳浮标和海岸拖曳声纳等系统。它的问世开创了水下测声的新途径, 既可做成无方向的高灵敏度测声器件, 又可做成阵列结构构成方向性测声器件。如10 m长的光纤水听器的测声灵敏度比H59压电水听器提高两个数量级。早在1986年美国国防部研究计划局就开始主持一项反潜战计划, 核心就是研究光纤水听器及其测声系统。美国海军实验室正在研制用作反潜战水下听音器的声学光纤传感器, 实际使用时要求多路输出, 故需要放置数个声学干涉、光纤传感器。用光纤水听器取代传统的压电陶瓷水听器已成为必然趋势, 再用光缆取代笨重的电缆, 最后实现全光缆系统。

目前国外在反潜战中应用的光纤水听器主要有3种基本类型:

a) 弦侧光纤声纳平面基阵:弦侧光纤声纳平面基阵是现代潜艇的主要水下探测设备。最适合于对小浮力裕度潜艇进行改装的一种先进的平面基阵技术。光纤声纳的优点主要是重量轻、成本低, 性能也优于现在的压电陶瓷声纳。

b) 海底定位分布式光纤声纳基阵:这种声纳是一种分布在海底的光纤声纳基阵。从布设方式看, 有的布设在近海湾, 用作监视系统, 也可布设于远海的水下, 组成监视基阵。水下声纳一般布设在离海岸数十公里以上的海域中, 由几百个到上千个光纤水听器组成, 并用光纤数据传输线来传输信号。

c) 拖曳式光纤声纳基阵:这是一种移动式光纤声纳基阵, 是定位分布式声纳的补充。它对反潜探测有着重要作用。基阵由水面舰艇或潜艇拖曳一条很长的光缆, 光缆的水下端布设若干个光纤水听器。

美国是世界上最早从事光纤水听器研究的国家, 其研究技术水平处于世界领先地位。美国利顿公司1987年研制了全光学拖曳光纤声纳基阵, 1989～1990年美海军在试验船上成功地进行了试验, 20世纪末投入实战使用。2000年利顿公司把弦侧光纤声纳平面基阵与先进的BSY-2反潜战斗系统接口首先应用在改装的SSN688洛杉矶潜艇和“海狼”级攻击艇上。

贝尔实验室研制的海底定位分布式光纤声纳基阵, 可对潜艇和水面舰船进行远距离探测和定位。在沿着几千英里长度上布设了4个光纤水听器, 用海底光缆把水听器和中继器连接起来, 进行探测工作。

掌握海底分布式声纳基阵技术还有英国马可尼水下系统公司, 法国汤姆逊·辛特拉ASM公司。日本也于1990年4月进行了北极海冰下光纤声纳性能试验。在离岸800 m, 冰下100 m深处, 安置2个光纤水听器, 水听器间相距2 m, 试验结果表明, 零级海情下能检测到26 dB以下的微弱声波。

综观各国水听器技术的发展, 干涉型水听器应用前景广阔。随着光纤技术的进步, 光放大器的发展, WDM、DWDM技术的完善及光纤光栅技术的进一步发展, 干涉型水听器及其阵列技术正向大规模、长距离传输和更小阵列尺寸发展, 并在拖曳基阵中大显神通。

3军用光纤智能结构/蒙皮

利用光纤和传感器与电子系统连接, 能够定点和分布地检测复合材料的各种物理参数, 如温度、压力、应变等等, 构成飞行器结构故障监测、飞行控制和损伤评估网络。智能蒙皮相控阵技术就是光纤链路和MMIC (单片微波集成电路) 的集成。

智能结构和智能蒙皮的概念是指把传感器、微处理控制系统和制动器结合或融合在基体材料中, 使结构不仅具有承载功能, 还能感知和处理内外部环境信息, 并通过改变结构的物理性质使结构形变, 对环境做出响应, 实现自诊断、自适应、自修复等多种功能。借助半导体集成技术把传感器部分、信号调理电路、输入输出接口、微处理器等制作在同一块芯片上, 即成为大规模集成电路的智能传感器。

3.1在高性能军用飞机上的应用

3.1.1 机载数据总线

对于先进的军用飞机要求有较高的传输数据速率, 光纤数据总线不仅满足高数据速率航空电子系统的要求, 而且也适合与光纤传感系统对接。埋置在智能结构/蒙皮内的光纤数据总线不仅减小了飞机的重量和空间占有率, 还具有抗电磁干扰和防火的优点。

3.1.2 结构故障监测

纤维光学智能结构/蒙皮具有自诊断功能, 可以通过埋置在飞机或武器等结构件和蒙皮内的光纤传感器, 实时测量结构内的应力、应变、温度、裂纹、形变等参数, 探测疲劳损伤和攻击损伤。例如, 美国目前正在开发一种可以测量裂纹生长“声音”的传感器, 它可以在整个结构范围内发射出声音信号, 然后测量结构响应信号的变化, 据此指出远地的裂纹产生或生长。英国国防研究局的结构材料中心也在开展复合材料损伤自诊断技术的研究。

3.1.3 超高性能预警探测

超高性能预警机是空中C3I系统, 它具有先进的信息获取、信息处理和通信的能力。而智能蒙皮共形阵列天线就能够帮助预警机系统实现实时目标探测、识别、跟踪、秘密通信、威胁报警以及飞机的自身监测等功能。其阵列设计以多层结构为基础, 掩埋在飞机蒙皮外层的是辐射单元层, 然后是集成微波、基带转换、信号控制、光接口、处理器/收发组件、波束形成/自适应处理以及脉冲压缩和多普勒处理的功能层, 各层中还插入了传感器, 各层间的隔离采用具有散热冷却剂管道和信号分配光纤系统的支撑结构。此外, 还可将各种波段的红外传感器埋置在预警机的蒙皮内, 这对提高预警机的对抗性和生存性有重大意义。

美国弹道导弹防御局目前正在为其未来的弹道导弹监视和预警卫星研究做着努力。植入了“核爆”光纤传感器、X射线光纤探测器、激光传感器、射频天线等多种传感器的智能蒙皮, 可安装在天基防御系统空间平台的表面, 对来自敌方的多种威胁进行实时监视和预警。美空军莱特实验室正在把一个承载天线结合到表层结构中, 这种一体化结构的天线与传统外部嵌置的天线相比, 能够有效提高飞行器的空气动力性能、减轻飞行器结构重量和体积、提高天线性能等。该计划将于2013年进行模型样机的试飞。

3.1.4 超高速飞行器温升监测

当飞行器的飞行速度超过5倍音速时, 飞行器表面的温度已构成敌方红外热探测的热度目标。为了飞行器的自身安全, 应将其表面温度降至218 ℃以下。例如, 航天飞机采用复合材料冷却板, 在冷却板内埋置光纤传感器, 测量复合材料板的健康状况和温度分布的数据。此外, 还可在冷却板内布设光纤通信线路。

3.1.5 有利改善飞机空气动力学设计

把常规飞机机舱内的导航、通信、电子系统, 甚至黑匣子都采用集成工艺或共形结构集成到结构或蒙皮内, 不仅大大改善飞机的空气动力学设计, 还可把省下的空间用于装载燃料和武器弹药, 以提高飞机的作战能力。

3.2在空间电子信息装备中的应用

对于天基雷达、天基激光、通信卫星以及空间站中的电子信息装备, 都要面临太空中恶劣环境的考验。为了确保空间结构的稳定可靠, 整个结构必须具备自诊断、自适应、自修复等功能。若在空间结构的关键部位埋置光纤传感器, 便可监测结构的牢固性。此外, 通过与制动系统相连的光纤震动传感器还可控制平台的震动频率和幅度。在载人舱中, 将光纤声波传感器植入密封装置中, 可监测密封舱的泄漏情况;若在载人舱的舱壁内埋置光纤应力传感阵列, 便可监测微陨石、太空垃圾对载人舱的撞击部位和撞击程度。安装在舱壁内的其它传感器还可测量宇宙辐射和电磁场。NASA (美国空军和空间宇航局) 已委托宇航实验室开发用于空间结构的智能结构/蒙皮。

3.3智能蒙皮相控阵雷达

智能蒙皮相控阵雷达是第三代相控阵技术, 是探索开发多功能、多频率阵列天线的长期开发计划。纤维光学技术在智能蒙皮相控阵天线中的作用是使智能结构/蒙皮的传感器和航空电子设备更加密集。真正的智能蒙皮相控阵天线将具有10万个辐射单元, 其功能包括多个频率的预警、通信和电子对抗, 并具有极大的瞬时带宽。它必须将纤维光学实时延迟移相器、光纤传输线、滤波器、子阵波束控制计算机的MMIC (单片微波集成电路) 和T/R组件埋置在蒙皮的层片中, GaAs MMIC加工技术将提供在芯片背面上制作出通道和传输线。由于智能蒙皮相控阵涉及诸如纤维光学、集成光路和网络技术, 是一项十分复杂而庞大的工程, 目前的技术水平远不能实现它。但是, 智能蒙皮相控阵却代表着智能蒙皮技术的最高典范, 不少航空航天部门已将其列入长远规划之中, 近期主要工作是进行基础元器件的研究。

3.4用于噪音控制

智能结构可以减振降噪。美国正在开发使用压电制动器的主动控制系统。将制动器连接到飞机表层和子结构中, 可将振动响应降到最低, 并消除音频振动引起的干扰振动力。在结构中埋入形状记忆合金也可以实现振动和噪声的控制。美国麦道公司利用主动结构声控装置采用声误差传感, 通过隔板装置已证明可把110 dB声源的声压水平降低29 dB, 声强和声功率降低7～8.5 dB。日本航空航天学会和加拿大Aastra公司也在重点研究空间结构中, 形状和振动的主动控制问题, 发展柔性结构振动自适应控制技术。此外, 智能结构用于潜艇, 可抑制噪声传播, 提高潜艇和军舰的声隐身性能;用于地面车辆, 可以提高军用车辆的性能和乘坐舒适度。

3.5研究计划与项目

光纤智能/蒙皮技术应用广泛, 为各国军方所重视。下面列出了一些主要研究机构的研究计划和项目:

美国空军航空电子实验室:智能蒙皮技术研究、系统定义、嵌入、飞机蒙皮内嵌入光纤传感器、光纤相控阵天线。

美国空军宇航实验室:动态传感和太空结构控制的埋置传感器、传动装置和微处理机。

美国空军Rome航空开发中心:智能蒙皮相控阵雷达、故障自动监测。

美国空军材料实验室:低介电常数材料、航空器结构蒙皮材料。

美国空军飞行动态实验室:智能结构概念要求定义、概念演示、飞行演示、快速分析、传感器开发、封装、结构损伤探测和控制。

美国空军推进实验室:发动机部件和材料中使用的埋置光纤、温度和应变传感器 (1 968 ℃～3 968 ℃) 。

美国空军Arvin/Calspan先进技术中心:FO传感器系统结构数据汇集, FO评估, 蒙皮衬底材料, 新型蒙皮材料, 集成的航空器蒙皮。

美国海军航空发展中心:智能结构纤维光学传感器 (X-Y坐标轴纤维光学传感器、锥形纤维光学传感器) 。

美国NASA研究中心:纤维光学数据总线, 纤维光学分布传感器, 流场探测的光纤微电话机, 氧/羟基浓度/温度传感器, 高温光纤, 传感信号处理, 互连及集成技术。

美国原麦道飞机公司:战斗损伤光纤传感器, 疲劳光纤传感器, 热塑料复合材料。

美国休斯和洛克韦公司:智能蒙皮航空电子的组装技术 (组合共形组装技术) 。

美国波尔公司:智能蒙皮天线。

美国波音公司:光纤及其传感器的埋置技术和光纤互连技术。

美国韦斯汀蒙斯公司:共形阵列天线的波束形成网络。

原美国麦道-道格拉斯电子系统公司:智能结构制造, 智能结构形成以及传感器选择。

美国赫尔克里士航空航天公司:复合材料和光纤引出 (带有尾纤连接器的复合材料) 。

美国康宁玻璃公司:高温光纤、光纤埋置、传感光纤包层/涂层。

美国通用电气公司:飞机蒙皮的集成共形阵列天线、包括埋置技术、传感器、T/R组件、移相器、RF分配网络。

美国弗吉尼亚技术学院:复合材料内的光纤埋置和光纤传感器。

美国佛罗里达技术学院:智能结构系统的基础元件及其信号处理系统, 可计算应变值和传感器输出信号的模拟神经处理器。

美国斯坦福大学:传感网络复用技术。

美国宾夕法尼亚大学:用于空间结构的复合材料管 (管中埋入光纤压力传感器) 。

英国沃明斯特海军航空研究中心:复合材料损伤检测的光纤应变传感器, 并进行碰撞和裂缝的检测。

英国斯特拉思克莱德大学智能结构研究所:传感器与复合材料相互作用机理和信号处理, 智能分子概念。

法国电子物理应用研究所:在玻璃和环氧复合材料中埋置光纤传感器。

加拿大多伦多大学:复合材料和光纤传感器 (包括迈克尔逊光纤传感器和本征型法布里-泊罗光纤传感器) , 飞机机翼的损伤评估系统。

4光纤分布式传感器

光纤分布式传感技术是指利用光纤的相关物理特性对被测场的空间和时间行为进行实时监测的技术。即将传感光纤沿场分布, 并采用独特的探测技术 (通过分析光纤后向散射光的分布变化) , 去感知光纤传输路径上待测场的空间分布和随时间变化的信息。后向散射光有弹性散射光 (瑞利散射光) 和非弹性散射光 (喇曼散射光和布里渊散射光) 之分。其中瑞利散射光的波长与入射光波长相同, 可用于检测光纤连续损耗分布, 喇曼散射光可用来检测温度信息, 布里渊散射光则可用来检测温度和应变的相关量。分布传感技术关键在于光纤内特定位置信息提取方法及提取精度 (空间分辨率) , 目前广泛采用OTDR (光时域反射) 光脉冲方法, 即通过光脉冲由注入光纤至返回入射端的时间来提取位置信息;还有一种是在频率轴上提取位置信息即FMCW方法, 也称相干OFDR (光频域反射) , 它是相对于时间连续线性扫描光波频率, 由反射光与参考光的拍频谱求得反射光分布的一种方式。可在微波和毫米波区域进行研究。

4.1分布式光纤应力传感器

分布式光纤应力传感器是光纤智能蒙皮技术发展的基础之一, 在新型飞机、航天飞行器等结构设计中以及在桥梁、建筑与水利工程等重大结构与设备方面的安全检测中都有很广泛的应用前景, 目前已有用于对静止电缆桥、飞机多层结构冲击探测等方面的实验报道。近年来它在复合材料中的应用受到高度重视。在复合材料中埋入光纤, 从而赋予结构智能功能, 以监控结构的制造过程及运行状态。

为了精确地确定应力点位置与应力大小, 目前发展了诸如POTDR (偏振光时域反射) 、OCDR (光相干域反射) 、OFDR (光频域反射) 和FMCW (调频载波) 等技术, POTDR是在OTDR基础上发展起来的技术, 与OTDR相似, 它需要高功率短脉冲技术, 且其空间分辨率较低。FMCW技术实质上是一种OFDR技术, 可以获得比POTDR高的空间分辨率, 但受频率扫描非线性限制。OCDR可以获得高的空间分辨率和大的距离动态范围, 但是它需要将光束经过迈克尔逊空间干涉光路后耦合入光纤, 因而给耦合带来一定困难。

4.2分布式光纤温度传感器

分布式光纤温度传感器是利用光纤中“喇曼”散射或“布里渊”散射光强随温度的变化关系和光时域反射技术而构成的。DOFRPS (分布式光纤“喇曼”传感) 系统是近年来发展起来的用于实时测量空间温度场的光纤传感系统, 在系统中光纤既是传输媒体又是传感媒体, 光纤所处空间各点的温度场调制了光纤中的背向“喇曼”散射的强度 (反斯托克斯背向“喇曼”散射光的强度) , 经波分复用器和光电检测器采集了带有温度信息的背向“喇曼”散射光电信号, 再经信号处理系统解调后将温度信息实时从噪声中提取出来并进行显示, 是一种典型的光纤通信系统;利用光纤中光波的传播速度和背向光回波的时间间隔, 对所测温度点定位, 是一种典型的光雷达系统。这种系统对抽运光源的共同要求是:波长位于1.55 μm低损耗波段、窄脉冲宽度、高峰值功率。另外, “布里渊”温度传感系统还要求窄线宽。国外已实现商品化, 并用于大型电力变压器、高压电力网、高层建筑等大的或长的设备温度分布测量和监控。

英国YORK传感器公司研制的DTS-800型分布式光纤温度传感器采用调Q掺铒光纤激光器作为光源, 传感距离达30 km, 空间分辨率小于8 m。

4.3光纤光栅传感器

与传统的光纤传感器相比, 光纤光栅传感器将被测信息 (外界温度和应力的变化) 转化为共振/反射波长的移动, 而与入射光的强度、各种连接器的损耗无关, 即采用波长调制方式, 这就克服了强度调制传感器必须补偿光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出功率起伏的弱点。同时还可方便地将多只光栅复用, 在波分复用和时分复用情况下, 多个光纤光栅只需一根数据总线, 即可实现对物理量的分布式测量, 尤其适用于复合材料的传感网络。这是其它传感器件无法比拟的。此外, 光纤光栅传感器还具有不受电磁干扰、灵敏度高、重量轻、结构紧凑、适于在高温、腐蚀性或危险环境下使用的特点, 适用于特殊结构的传感网络, 如水坝寿命监测、桥梁缺陷检测、大型运输载体的复合材料等。

光纤光栅的主要优点之一是能构成传感网络, 光纤光栅传感网络的主要结构形式是:WDM、TDM和SDM以及由它们复用而成的复杂传感网络:TDM+SDM、WDM+SDM、SDM+WDM+TDM等。另外, 由于其周期很短 (一般小于1 μm) , 采用波长解调, 具有很强的抗干扰能力, 几乎不受微弯、光源波动等因素的影响。但正因为它的周期短, 对应力和温度的敏感灵敏度也很低, 而且需要复杂的波长解调系统, 使其应用

受到一定的局限。近期开发的LPG (长周期光纤光栅) 的周期比一般的周期长2个数量级以上, 对应变和温度的敏感度较高, 也可以采用光强解调, 解调系统较简单, 因而受到各国军方的重视。

目前, 用于民用矿井测量压力、位移、应变及温度的光纤光栅传感器性能:压力测量范围 (10～50) ×105 Pa, 准确度0.15%;应变测量范围0～12 000 μe, 灵敏度3.1 μe, 误差远小于10 μe;温度测量范围0 ℃～100 ℃, 灵敏度0.16 ℃～0.23 ℃。

4.4光纤微弯传感器

光纤微弯传感器最早用于美国海军研究所研制的光纤水听器系统。它除具有一般光纤传感器的优点, 还具有所需部件少、造价低、易装配等独特优点。能组成分布式光纤测试系统的传感器, 并能有效对易燃易爆环境下气体或液体的压力进行实时检测。

利用光纤微弯传感器对水的静止压强进行测量的结果是, 在光功率30 μW下, 压强传感器的灵敏度为40%/cm水柱, 即压强改变1 cm水柱时引起光功率的改变为40%, 该灵敏度可产生1 μPa的最小可探测压强。利用不同形变器可改变传感器的灵敏度。同时, 当传感器的测量范围增大时, 灵敏度减小。其它可变参数如传感器的长度, 可从几厘米直到几米。这种传感器可用作连续液位传感器。

摘要：文中对光纤传感器在军事中的应用进行了详细阐述, 总结比较了光纤陀螺的优点及国外部分产品典型技术指标。详细介绍了军用水听器、光纤智能蒙皮的基本类型及其主要应用, 并比较了目前几种主流的光纤分布式传感器。

关键词：光纤传感器,光纤陀螺,光纤水听器,分布式传感器

参考文献

[1]陈继宣, 龚华平, 张在宣.光纤传感器的工程应用及发展趋势[J].光通信技术, 2009, 33 (10) :38-40.

[2]苏艳阳, 李锐, 陈宇, 等.传感技术综述[J].数字通信, 2009, 36 (4) :20-26.

3.光纤传感器在输油气管道中的应用 篇三

关键词：油气管道；光纤传感系统；安全

由于我国油气能源分布不平衡，并主要依赖于管道运输，如何保证油气管道的安全，成为油气企业面临的重要任务。在传统的油气管道监测中，使用的电传感器具有安全隐患，同时也存在其他缺陷。因此，亟需采取新的監测技术，对管道的压力、温度以及油气的浓度进行时时监测，确保输送管道的安全。光纤传感技术的出现，很好的解决了这一难题，光纤传感器在油气输送管道中得到推广应用。

一、光纤传感器概述

二十世纪七十年代，光纤传感技术得到发展应用，其以光纤为媒质，以光波为载体，感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术。这一技术具有很多优点，因此在普及过程中发展迅速，得到人们和企业的广泛认可。

光纤传感技术的优点体现在以下几个方面：第一，精度高，它具有抗电磁干扰的特点，能够有效的传输数据，精确反馈对象存在的问题。第二，抗腐蚀，不会受到外界环境的影响，如在石油、天然气等电传感器不便于使用的领域，能够很好的发挥作用。第三，它还便十与计算机相连，实现智能化和远距离监控。另外，光纤传感技术在油气管道远程监测中使用，能够做到现场无电检测、传输和控制，使采样数据的处理和分析在场外完成，从而确保系统的安全。

光纤传感器在油气管道中的应用，主要是监测管道的温度和压力变化，同时还要监测油气流量情况，系统控制中心根据这些量的变化判断具体情况或实施相应的操作，具有预警功能。当油气管道出现泄漏问题时，监测系统能够准备判断发生问题的线路地段，及时通知企业进行故障排除和修补，采用这种技术也可以防止人为造成的管道破坏，保证油气管道的安全运行。

二、光纤传感系统的应用

在油气输送管道中的应用，光纤传感系统包括多个组成部分，具体来说，包括光纤光栅传感器系统、信号解调系统、数据通信与传输系统、数据处理与分析系统四部分。

1.光纤光栅传感器

光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。在对输油气管道进行监测时，可以将具有传感阵列的光纤贴装在管道面上，一旦管道发生泄漏事故，由于管道压力变小，泄漏附近的温度会降低，通过光纤光栅传感器能够测定该地段温度变化，从而准确定位泄漏管道地点。如果有人破坏管线，则管壁的应力应变就会发生变化，从而引起弹光效应和光栅周期的改变，通过检测中心波长的漂移并解调，即可实现对管道安全性的监测。

2.信号解调系统

对传送回的光波信号需要光纤光栅传感分析仪器，其可以自动解调调制过的光波信号，进行高分辨率和高精度的光栅中心波长测量。系统中光波信号的解调、光纤光栅传感器的宽带光源，以及信号的初步分析，即硬件监测功能，都由该设备实现。在油气管道沿线可以根据需要设置信号解调和分析站，主要考虑系统精度要求，以及光缆传输质量和耦合效果。若光缆传输损耗较大，则需要近距离设置。反之，则增大设置距离。

3.数据通信与传输系统

在光纤传感系统的组成中，数据通信与传输系统是重要的一个部分。它是远程监测的信息传输通道，负责各类监测数据的远距离传输，从而保障对油气管道的实时监测，一旦出现故障等变化，能够及时将这些变化传输到监测终端，技术人员根据变化做出科学判断。另外，数据通信与传输系统带有标准的以太网接口，能够很好的将监测信息输送到局域网，形成安全监测信息网络系统。

4.数据处理与分析系统

在对油气管道监测的数据传输到接受终端后，需要对数据进行处理和分析，该系统主要由计算机、网络和软件组成。需要使用解码技术将接收到的编码数据还原为物理参量，通过处理分析后，才能直观的转为油气管道所处的状态，并对危险状态报警，及时通知企业进行故障排除和修补。另外，技术工作人员能够实时看到监测结果，及时作出相应的决策。光纤传感系统是由多个系统组成的，只有密切配合，才能发挥出应有的作用。

三、结语

总之，光纤传感器具有抗电磁干扰以及精度高等优点，能够有效的传输数据，对管道的压力、温度以及油气的浓度进行时时监测，确保输送管道的安全。输油管道远程安全监测系统可以随时掌握管道的运行状况，当油气管道出现泄漏问题时，监测系统能够准备判断发生问题的线路地段，及时通知企业进行故障排除和修补，采用这种技术也可以防止人为造成的管道破坏，保证油气管道的安全运行。

参考文献：

[1]陈志刚，张来斌，王朝晖.基于分布式光纤传感器的输气管道泄漏检测方法[[J]传感器与微系统，2007，26（7）：108-110.

[2]李琼玮，刘故箐，常勇峰，路民旭.光纤传感器在管道腐蚀监测中的应用[J].国外油田工程.2009（6）.

[3]王秀彦、吴斌、何存富等.光纤传感技术在检测中的应用与展望[J].北京工业大学学报，2004，30（4）：408-410.

4.光纤传感器的应用实例 篇四

F-P光纤压力传感器的温度特性研究

设计并制作了Fabry-Perot(F-P)干涉型光纤传感器.根据传感器的`制作工艺和原理,分析了减小温度系数的方法:设计适当的初始腔长、采用开放腔以及控制光纤与石英套管的粘接方式,都可以有效地控制温度对传感器的影响,以适应传感器在不同场合的应用.对所述方法进行了相应的实验验证,结果表明实验数据与理论分析一致.

作 者：郭振武 孙桂玲 李维祥 GUO Zhen-wu SUN Gui-ling LI Wei-xiang 作者单位：南开大学,信息技术科学学院,天津,300071刊 名：半导体光电 ISTIC PKU英文刊名：SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS年，卷(期)：29(3)分类号：O43关键词：光纤传感器 Fabry-Perot干涉仪 腔长 温度特性 开放腔

5.光纤传感器的应用实例 篇五

光纤SPR湿敏传感器及其共振光谱特性研究

摘要：提出并研制了基于光纤SPR传感探针的新型湿敏传感器.首先研究了光纤SPR传感探针对环境湿度变化的敏感特性,在此基础上提出在光纤SPR传感探针表面增覆不同厚度且具有水分子吸附功能的PVA薄膜来实现环境相对湿度的监测.研究结果表明,增覆双层PVA薄膜的光纤SPR传感探针在高湿区具有较好监测效果,其共振强度对应的相对湿度测量灵敏度达到1.59％/％RH,较光纤SPR探针呈现显著提高.而增覆单层PVA薄膜的光纤SPR传感探针在高湿区共振波长对应的相对湿度监测灵敏度达到2.411nm/％RH.此外所提出的`新型光纤SPR湿敏探针在PVA薄膜失效后经过特殊工艺处理仍可重复镀膜使用. 作者： 张少华  曾捷  孙晓明  穆昊  梁大开 Author： ZHANG Shao-hua  ZENG Jie  SUN Xiao-ming  MU Hao  LIANG Da-kai 作者单位： 南京航空航天大学机械结构强度与振动国家重点实验室,江苏南京,210016 期 刊： 光谱学与光谱分析   ISTICEISCIPKU Journal： Spectroscopy and Spectral Analysis 年，卷(期)： , 32(2) 分类号： O539 关键词： 光纤传感器    表面等离子体共振(SPR)    湿敏特性    PVA薄膜    机标分类号： TN6 TH1 机标关键词： 新型光纤    SPR    湿敏传感器    共振光谱    特性研究    Humidity Sensor    Optical Fiber    探针    PVA薄膜    环境相对湿度    监测灵敏度    测量灵敏度    吸附功能    湿度变化    敏感特性    监测效果    共振强度    共振波长    工艺处理    高湿 基金项目： 国家自然科学基金，江苏省科技支撑计划项目，江苏省自然科学基金，中国博士后科学基金，江苏省博士后科研计划项目，611航空科研基金，南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金 光纤SPR湿敏传感器及其共振光谱特性研究[期刊论文]  光谱学与光谱分析 --2012, 32(2)张少华  曾捷  孙晓明  穆昊  梁大开提出并研制了基于光纤SPR传感探针的新型湿敏传感器.首先研究了光纤SPR传感探针对环境湿度变化的敏感特性,在此基础上提出在光纤SPR传感探针表面增覆不同厚度且具有水分子吸附功能的PVA薄膜来实现环境相对湿度的监测.研...

6.光纤激光在焊接技术中的应用 篇六

谈到光纤激光，光纤的长度保证了光束质量接近衍射极限(在给定波长的激光中，理论极限，或最小可能的聚焦尺寸)。这种激光的谐振腔无须进行任何调整，光束质量是被光纤的物理特性所规范。光纤激光除了以上的两大优势之外，还应当了解，其泵浦能量可以通过传输光纤进行耦合，传输至有源光纤或受激光纤，从而免去了二极管泵浦源到光纤激光的光学调整的繁琐的过程。

图1指出不同工业激光的光束质量参数(BPP)与输出功率的关系。其中BPP值越小表明光束质量越好。与其它激光相比，光纤激光表现出更好的光束质量(只有在5千到一万瓦范围内略逊于二氧化碳激光器)。在Fraunhofer我们一致认为，光纤激光具有更为广阔的未来。

在德国的Dresden，FraunhoferIWS以及在美国密执根的Plymouth的IWS分支机构中我们拥有以下表格中的各种光纤激光可以用于工业加工发展的研究。

这些光纤激光具备以下特点：体积非常小，在泵浦源与最终的光学聚焦系统之间没有任何需要进行准之调节的零件，无须进行任何调整，很高的电光转换效率(25-30%)。此外，光纤激光具有非常优秀的光束质量和超长的泵浦源寿命(超过5万小时)。我们可以使用很小的扩束准直系统，进而可以使用尺寸很小的振镜系统进行高速光束操控。

15微米直径的光纤长度限制在数米范围内，因为存在拉曼散射效应，它将在使用较长的光纤传输时减少输出能量。而50微米的光纤限制在15米长度以内，100和200微米的光纤长度没有限制!如果使用光闸或纤-纤耦合接头，必须使用100微米的光纤出，50微米的光纤进，或使用200微米的光纤出，100微米的光纤进。以上两种状况光束质量可以达到8mm.mrad。这与盘式激光相当，而焊接的结果，两种激光器非常接近。

综合起来，在Fraunhofer使用的光纤激光系统非常稳定，没有发生过任何问题，

而灯泵浦系统本身则存在非常多的常规问题。有些其它的光纤激光用户提到过，在操作中的光学反射问题，到目前为止对我们而言还没有造成任何困扰。我们的试验数据表明，光学反射没有对激光器的输出功率造成任何影响。即使如此，我们在实际操作中不主张使用与工件垂直的光束设计，而使用微微倾斜6度左右的角度。在切割和焊接钢材和铝材时没有发生任何问题，但同样的操作，工件为铜材时，情况较为复杂，需要很小心地进行处理。

在我们的研究中，由于光纤激光优秀的光束质量，焊接的深度和速度可以达到与电子束焊接相当的细窄焊缝。图2显示实际焊接的效果。4千瓦光纤激光焊接8毫米厚的普碳钢板(汽车齿轮箱中的机构)。

对于低变形焊接，光纤激光看来是当前最佳的选择。这不但在齿轮传动机构中有广泛的应用，在远程焊接中同样有着很大的优势。

由于极高的光束质量，我们可以使用非常紧凑、小巧的聚焦和扫描光学系统，而无须改变焊接参数，同时适用于远场技术。在这两种情况下，激光优秀的光束质量会生成特定的焊接等离子体，(与Nd:YAG和盘式激光相比)，一定要使用保护气体，否则会发生吸收和主体散射效应。

图3显示光纤、盘式、Nd:YAG和CO2激光系统的焊接速度对应与深度的试测数据。由于我们有限的CO2激光的能量范围，我们仅就3.5千瓦的CO2激光进行了对比试验。盘式激光的焊接数据有些偏离，因为我们使用的是4kW输出功率的TRUMPF’sHLD4002盘式激光。同样，我们使用了其它光纤激光的数据，BIASBremen的4.0kWYLR7000光纤激光(300微米光纤)。总之，以下数据表明并非不同的激光会造成不同的焊接结果，而是不同的光束质量。正如两种不同光束质量，其它参数极为接近的光纤激光，试验结果却截然不同。

结论可以这样声明，高功率光纤激光非常适合用于不同的焊接和切割应用。高光束质量，提供更多其它激光系统无法提供的机会和更好的表现。

另外一方面，购买一个激光器还应当考虑许多的重要的因素，其中包括投资费用、运行费用、维护和维修费用等。然而，最重要的一点是在最终的结果必须能够不断重复，这就要求光束质量必须非常稳定，它是一个最重要的基本因素。

7.光纤传感器的应用实例 篇七

光纤传感器, 由光源、光纤、调制器、解调器构成。新型光纤SPR传感器结构比较复杂, 表面等离子共振 (SPR) , 其原理就是当入射光以一定角度、波长入射到金属膜以及其它介质的界面上, 且入射光在界面方向的波矢分量与界面等离子波的波矢相等时, 二者发生共振;界面全反射条件被破坏, 从而将会呈现出全反射衰减的现象[1]。

二、新型光纤SPR传感器开发技术

把多模态光纤新切割的端面放在N-s2-氨基乙基3-氨基丙基-三甲氧基硅烷乙醇、乙酸溶液中, 室温浸泡十分钟, 把光纤浸泡在金纳米粒子溶液中, 金纳米粒子就固定在光纤端面。传感器的全响应能够通过如下等式描述:

其中, Δλmax为波长移位响应, m为其折射率灵敏度, Δn为折射率, 由吸收引起的折射率变化量, d为有效吸收层厚度, ld为特征电磁场衰变的长度。

应用电光调制技术, 制造SPR生物传感器, 利用光刻、热蒸发技术, 制成300nm厚的带有电极的铝膜, 电极间距分别为40, 60和80μm, 对应波导宽度分别是20, 40和60μm, 在衬底传感区域上沉积Si O2开口层。其次, 在玻璃表面固定金纳米棒, 可以在80°C的环境下, 用RBS洗涤剂清洗玻璃衬底, 使玻璃面形成SAM结构, 过滤悬浮物时金纳米棒互相组合, 制备金棒芯片。再有, 制作金纳米线阵列芯片, 使用原子力显微镜进行纳米压印;在室温下, 把金纳米线阵列芯片浸入十八烷硫醇酒精溶液, 得到表面结合ODT分子的金纳米线阵列。之后, 再应用纳米球光刻术, 限定纳米微粒的形状、尺寸、结构, 修饰金纳米粒子, 进行材料表面图案加工工艺, 利用NSL拓展技术, 制作纳米孔阵, 制备新型SPR纳米传感器。利用新型光纤SPR技术制成的传感器, 能灵敏检测传感器表面的折射率变化, 实现在线实时检测[2]。新型光纤SPR传感器在测量小空间时, 也可以发挥重要作用, 并且易于系统集成, 具有良好的稳定性与灵活性, 在光源选择上很灵活。

三、新型光纤SPR传感器在实际中的应用

在物理检测的应用中中, 采用SPR传感技术, 检测某种物理量特定敏感膜折射率变化。设计开发新型光纤SPR传感结构, 通过反射光谱吸收峰波长变化, 验证其在实际应用中的有效性。SPR有4种分析方法, 分别是角度调制法、波长调制法、强度调制法、相位调制法, 在实际应用中将会发挥很好的效果[3]。

在具体应用中, 可以将原始金属纳米线阵列与之后浸过ODT溶液的金属纳米线阵列分别在暗室中进行LSPR散射光谱测量。使用100W的卤素灯 (Olympus, BX51M, Japan) 作为光学显微镜的光源。在暗视野下, 用白光照射制作好的芯片, 通过光纤接收金属钠米线阵列散射出来的光, 并将此散射光导入单色光谱仪中 (CVI, DK240, U.S.A) , 然后使用光电倍增管 (CVI, AD110, U.S.A) 放大接收光信号, 再将此放大信号送到电脑中, 经过软件CVI AD110处理后即可得到金属LSPR散射光光谱。最后使用CCD相机拍摄光学显微镜暗视野模式下金纳米线阵列的光学影像。用光谱分布的氚钨卤素光源, 通过新型光纤LSPR传感器, 收集反射回来的光, 分析光谱范围。

基于自动光谱分辨测量的普通结构, 使用改进后的新型光纤LSPR传感器, 使用光纤束取代反射探针, 测定金纳米粒子层的反射率, 进行光谱测量, 获得高通量, 探测过程中, 在多模光纤端面经过透镜系统完成成像, 在实际应用中发挥更好的效果。

结论

综上所述, 新型光纤SPR传感器, 将光纤传感技术与SPR传感技术有效结合, 在生物、化学领域中都能够得到很好的应用, 开发设计新的光纤SPR传感器, 进一步研究其传感结构结构, 有效拓展新型光纤SPR传感器在实际中的应用范围, 具有现实意义。

参考文献

[1]陈松.基于多模干涉和F-P干涉的光纤传感器实验研究[D].天津理工大学, 2012, 07 (18) :41-42.

[2]王家璐.基于SPR技术的中药制剂检测方法研究[D].哈尔滨工程大学, 2011, 14 (12) :76-77.

8.基于光斑旋转的光纤温度传感器 篇八

关键词： 光纤传感； 宏弯损耗； 温度变化； 光斑旋转； 光斑角度

中图分类号： TP 212.1； TN 253文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.007

引言传统温度传感器因易受电磁干扰影响，体积大，使用寿命短和灵活性差等原因，已逐渐被光纤温度传感器替代。当光在光纤中传输时，由于环境温度变化，光的强度、相位等参量也会发生相应变化，这就形成了光纤温度传感。一般光纤温度传感器可分为：分布式光纤温度传感器[1]、光纤光栅温度传感器[2]、光纤荧光温度传感器[3]和干涉型光纤温度传感器[4]。它们利用对光谱或光强的检测，虽然达到了一定的灵敏度与分辨率，但其温度传感结构都较复杂。本文介绍了一种基于光斑旋转角度调制的新型光纤传感系统。光纤环所在环境的温度变化导致光斑旋转，改变出射端光斑的角度。所以通过一个简单的CCD获得光斑图像的角度，可以达到间接测量的图1弯曲波导辐射示意图

Fig.1Radiant diagram of the curved waveguide目的。与其他光纤温度传感器相比，不仅传感结构简单，而且测量灵敏度可调。1基本原理及系统结构光纤的宏弯损耗主要来源于光纤弯曲产生的空间滤波、模式泄漏及模式耦合，其中以空间滤波效应造成的损耗为主。光纤不同程度的弯曲将伴随着不同程度的空间滤波[5]。受到光纤弯曲的影响，光纤中全反射的条件受到破坏，高阶模将折射到包层中，较高阶模式进入截止状态，导致纤芯传导模式减少。光纤的宏弯损耗主要包括辐射损耗（如图1所示）和过度损耗

2.1光斑数变化两个级联的光纤环：光纤环1直径为25 mm；光纤环2紧密绕制5圈，直径为24 mm。通过减小光纤环1的直径，获得图3所示光斑数变化的光斑图。初始光斑4个，减小光纤环1的直径到18 mm后，光斑减少为3个。继续减小光纤环1的直径，通过CCD发现在一定的范围内，光斑数仍然为3。

2.2光斑旋转两个级联的光纤环：光纤环1直径为18 mm；光纤环2紧密绕制6圈，直径为20 mm。逐渐增加水温控制箱的温度获得图4所示光斑旋转的光斑图。图中表现了三光斑绕中心点按特定的方向发生的旋转。通过MATLAB处理分别获得三个光斑的特征点质心，再通过坐标处理可以方便快捷地测出光斑的角度，从而获得光斑旋转角度与传感光纤环所处环境温度的关系。图4中给出了不同温度时各个出射光斑对应的角度。

3.1线性度逐渐增加水温控制箱的温度，当光纤环1直径为18 mm；光纤环2为紧密绕制3圈，直径为20 mm，获得三光斑旋转角度随传感光纤环所处环境温度的变化关系如图5所示（光斑角度经过归零处理）。实验获得的数据经过MATLAB最小二乘法处理获得图5所示的直线：θ=1.149 7T，线性度-0.045 5。综上分析可知三光斑旋转角度跟传感光纤环所处的环境温度有很好的线性关系。

3.2灵敏度图6（a）所示为光纤环2直径均为20 mm，紧密绕制的光圈数分别为3、4、5、6，光纤环1直径均为18 mm的4条光斑旋转角度和水温控制箱温度的线性关系曲线。图6（b）所示为光纤环2紧密绕制的光圈数都为5，直径分别为16 mm、20 mm、24 mm，光纤环1直径均为18 mm的3条光斑旋转角度和水温控制箱温度的线性关系曲线。图6（a）中的数据经过MATLAB处理获得表1中的传感光纤参数（灵敏度、线性度），图6（b）中的数据经过MATLAB处理获得表2中的传感光纤参数（灵敏度、线性度）。

通过表1、表2中的具体参数可知图6（a）、图6（b）的关系曲线都有很好的线性度。表1中看出6圈传感光纤环对应的灵敏度最大，5圈传感光纤环对应的灵敏度次之，其次是圈数为4的传感光纤环对应的灵敏度，对应灵敏度最小的是圈数为3的传感光纤环。说明传感光纤环的圈数直接影响系统测量的灵敏度。表2中看出直径24 mm传感光纤环对应的灵敏度最大，直径20 mm传感光纤环对应的灵敏度次之，对应灵敏度最小的是直径为16 mm的传感光纤环。说明在传感光纤环的圈数一定的情况下，传感光纤环的直径越大，测量的灵敏度越高。实验数据很好地说明了传感器的灵敏度随传感光纤环圈数的增加逐渐变大，传感器的灵敏度也随传感光纤环直径的增加逐渐变大。为此在设计传感光纤环时，为获得比较好的测量效果，需要对传感光纤环选择合适的圈数、合适的直径。4结论本文提出了一种新的光纤温度传感器，分别研究了传感光纤环的圈数、传感光纤环的直径对系统的线性度、灵敏度的影响，得知系统具有比较好的线性度的同时系统灵敏度随传感光纤环参数的变化具有一定的规律。为减小系统体积、质量，增加系统使用的便利性，光源可以更换为半导体激光器。此传感系统结构简单，使用方便，适合温度测量精度要求不高的场合使用。

参考文献：

[1]GUNES Y，SAIT E K.A distributed optical fiber sensor for temperature detection in power cables[J].Sensors and Actuators A：Physical，2006，125（2）：148155.

[2]ALLSOP T，FLOREANI F，WEBB D J，et al.The bending and temperature characteristics of long period gratings written in elliptical core stepindex fibre[J].SPIE，2005，5855：711714.

[3]BAEK S G，JEONG Y C，NILSSON J，et al.Temperaturedependent fluorescence characteristics of an ytterbiumsensitized erbiumdoped silica fiber for sensor applications[J].Optical Fiber Technology，2006，12（1）：1019.

[4]BI W H，WANG X，LANG L Y.The optical fiber FP interferometric temperature measurement[J].Journal of Optoelectronics·Laser，2002，13（12）：13161317.

[5]RENNER H.Bending losses of coated singlemode fibers：a simple approach[J].Lightwave Technology，1992，10（5）：544551.

[6]邹丹丹.基于光纤宏观弯曲损耗的射流压力参量测量技术研究[D].南京：南京理工大学，2008：10

9.光纤传感器的应用实例 篇九

现阶段，电力通信系统中主要有三种专用的光缆，即架空地线复合光缆、金属自撑式架空光缆和无金属自承式架空光缆，这些光缆载在很大程度上维持了我国电力通信系统的正常运行。一是架空地线复合光缆。这种光缆主要是由最外层的铝线、内层的钢芯及中心的光导纤维组成，它同时具有普通地线和通信光缆的优点。一方面，架空地线复合式光缆具有抗干扰能力强、通信容量大、导电性佳的优点;另一方面，这种光缆还具备信令功能和路由功能，能够为电信业务提供安全的保护和高效率的传输。目前，许多电力公司都开始大范围地铺设架空地线复合光缆，给广大用户提供了更可靠的电力保障。二是金属自撑式架空光缆。这种光缆的结构较为复杂，需要将高模量的塑料做成内填充物，再把光纤套入其中，并且在光纤的内部还有金属制作的加强芯。这种复杂的结构使得金属自撑式架空光缆具有一般光缆无法比拟的耐水解性和耐温性，可以更好地保护内部的光纤不被破坏。三是无金属自承式架空光缆。这种光缆的抗拉强度极大，其跨距可达到一千米以上，这是因为它使用了重量轻、强度大的芳纶纤维来作为抗张元件。此外，无金属自承式架空光缆具有十分强的抗电腐蚀能力，在一些特殊的地区可以起到很好的抗腐蚀效果，对电力通信系统的完善有着重要的作用。

1.2PTN技术

PIN技术是一种以分组业务为主，其他业务为辅的传送网技术，它最为显著的特征是在IP业务和底层传输媒质之间设置了一个层面来应对分组业务流量的突发性，这种技术可以在保证光运输原有优点的基础上全面降低传输成本。PIN技术具有较高的可靠性和安全性，目前在电力行业中，数据业务的处理是PIN技术的发展重点，电力技术人员可以利用该技术进行数据业务的无缝连接，从而进行高效的流量工程建设和宽带管理工作，是电力行业的又一次技术进步。

1.3EPON技术

10.光纤传感器的应用实例 篇十

光纤接入网设备在河源局的应用探讨

(广东省河源市电信局设备维护局)周镇威

随着社会经济的不断发展，人们对新业务，特别是ISDN业务需求的日益增加，这就要求电信业务向综合化、数字化、宽带化、智能化和个人化发展。而接入网技术是目前通信建设的“热点”问题。如何合理地改造农村现有的农话交换机，优化网络，是当前农村通信建设所面临的迫切问题。河源局的光纤接入网正在处于建设当中，对目前基于V5接入网提出需要进一步解决的问题和应当考虑的其它因素，本文就此作些浅析。

一、光纤接入网的引入

光纤接入网是指在接入网中用光纤作为主要传输媒介来实现信息传送的网络形式。光纤接入网的组网方式可以有总线结构、环形结构、星形结构。它的主要特点是：

1．可以传输宽带交换型业务和多种业务，且传输质量好，可靠性高。

2．网径一般较小，可不需要中继器。

3．具有V5接口功能，不同设备之间完成H-ISDN业务基本解决。

4．能够提供无人值守条件，具有各种监控功能。

二、现在采用的光纤接入网在维护管理存在的问题

1．首先是网管功能较为单一，它与现行交换机的网管系统不兼容，只能建立单独的接入网网管系统，不同厂家的接入网管系统也不能相联，给电信维护管理带来很大的困难。

2．其次是112集中测试功能。目前，我局所有S1240用户能自动处理用户的申告并自动测试用户线路和设备。采用接入网设备以后，只能在ONU（光网络单元）增加测试板，测试结果也不太准确。

3．农村用户需求主要还停留在传统的`语音业务上，接入网可以提供多种业务的接入，但也是综合业务发展的过渡阶段，交换的发展方面是ATM交换机。

4．缺乏互连互通的标准。接入网建成后，其网管要与“九七工程”中相关子系统、本地网交换、传输、动力网管相连，以利于运行维护的正常运行，然而现成接入网没有互连，其原因是缺乏规范。

三、目前河源本地网接入网试用情况

1．接入设备

（1）贝尔公司的JRSU接入设备；

（2）UT斯达康公司的AN-2000接入设备一千门；

（3）深圳华为的商业网、接入网设备；

2．各自的特点

（1）上海贝尔的JRSU：

JRSU的使用可以解决以下几个问题：

1）因它和母局S-1240为同一制式，可以纳入现有网管系统中，而不需建立新的网管系统。

2）原有的112可以为新的用户提供使用。

3）技术与母局S-1240相似，不需对技术人员进行太多的培训，用户板与母局用户板通用，大大减少备板及维护设备的数量。

4）模块用户在与母局中断的情况下，仍能保持局内通信。

缺点：

1）每次扩容需修改软件（上期工程中已安排除外）。

2）传输为国标（98M）。

（2）UT斯达康：

它实际是一种类似SLC的复用设备，需要V5接口。它有以下特点：

1）能提供ISDN业务，能够组成自愈环。

2）组网比较灵活。

缺点：

1）必须用V5接口，否则需用背靠背的方法，使设备增加一倍，使用信令转换架，受制于提供信令转换架的交换机厂家。

2）UT斯达康内部没有交换功能。

（3）深圳华为C＆C08：

特点：

1）是一种比较标准的接入设备，能提供ISDN等业务。

2）能通过信令转换架与母局交换机相联，开通N0.7信令，能提供V5接口。

3）组网方式灵活，在组成环形网时有自愈环功能。

缺点：

1）商业网的软件升版时，不能打补丁而是换芯片解决，比较困难。

四、在建设接入口过程的几点建议

1．必须要制定规范，保证通信网络的“三性”，接入网集中监控维护管理系统是保证用户接入网高效、可靠地运行的关键，是维护体制改革以后，维护部门对接入网设备进行“三个集中”管理的必要手段，因此在进行接入网建设的同时就必须统一建立接入网网管，要求接入网设备厂商提供的接入网网管必须符合规范与预留Q3协议接口，最终实现接入网管与本地网网管的互连互通。接入网建设与网管建设要同步进行。

2．接入网网管不仅能监控接入网本身设备，还应对接入网的线路设备和光缆、电缆、用户线进行自动监测，能完成现在112系统的功能，而且还能将远端节点设备、机房的温度、湿度、安全等环境信息收集处理，送至相应的环境监控系统。

3．要求接入网设备能够平滑地升级。在组网过程中，最好能形成环形结构，因为原来县局很多C5局，C5局中接C5局，一个C5局中断，会影响到所连接的C5局的通信。

4．对普通用户线的112测试系统含集中管理。自动测试两部份，整个112系统已纳入“九七工程”，而“九七工程”并未考虑到接入网的发展，而且，“九七工程”已投入使用，因接入网与112集中系统的互连原则是接入网要适配原有的112集中受理系统，提供规范的Q接口。

五、接入网技术的发展方向

1．有线、无线综合接入网技术迅速发展，总的方向是综合、全业务的接入网。

2．光纤接入网的优势日益明显，“光纤尽可能接近用户”的战略已是公认的发展方向。光纤到路边（FTTC），光纤到大楼（TFFB），光纤到小区（FTTZ），光纤到户（TFFH）已成为接入网发展的大趋向。

3．新的V5接入网标准接口的出现，促进了光纤接入网的迅速发展，V5接口统一了标准，便于建设管理、维护、运行。

4．与多种业务平台相融洽的接入网网管系统体系是今后的发展方向。

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11.波汇科技,光纤传感器专家 篇十一

与此同时，凭借着在专业领域的创新精神，波汇科技在今年上半年也是捷报频频：1月，波汇科技“分布式光纤测温系统”喜获“上海名牌明日之星（试点）”称号；3月，获上海市著名商标、上海名牌两大殊荣；4月，董事长赵浩博士参加“英国创新科技成果在中国的商业应用”研讨会，向两国展商分享和交流波汇科技在高新技术引入和本土产品输出的经验和成果，引起了空前反响。

作为物联网极其重要的组成部分之一，光纤传感器因其优势与应用一直备受瞩目。从全球市场来看，2013年全球光纤传感器市场规模为18.9亿美元。预计2014至2018年，全球光纤传感器市场将以年均18%的增长幅度增长，至2018年市场规模达到43.3亿美元。面对如此可观的市场前景，这几年，中国光纤传感行业也呈现出爆发式增长的态势，但我国在光纤传感器的研究与开发，尤其是在商品化、产业化方面，远远满足不了市场需求。

今年6月2日，全球瞩目的OFS光传感论坛暨展会上传来了好消息。这是世界公认的涉及所有光传感技术主题研讨的国际学术盛会，作为本次大会唯一来自中国的金牌赞助商，波汇科技凭借在光纤光学、光电子、微电子和算法仿真方面的专长，向全世界展示了中国高新企业的研发能力和技术实力。

波汇科技成立于2002年6月19日，是来自上海浦东新区张江高科技园区的一家从事自主研发、提供先进物联网光电传感设备和安全监控解决方案的高新技术企业。其在光纤传感、智能视频、光器件、无源光网络和行业应用软件四个核心领域中，建立有多条产品线。其中最为主要的光纤传感包括四条产品线，覆盖了目前该领域全球市场可提供的全部产品（分布式光纤温度传感器DTS、分布式光纤应力传感器BOTDR、分布式光纤振动传感器、光纤光栅解调仪）。作为波汇科技最主要的产品之一，DTS（Distributed Temperature Sensor）分布式光纤温度传感器，无论在温度分辨率、空间分辨率、测量距离，或是测量时间上在行业内处于领先地位。2009年和2012年更以最高能力指标通过公安部的消防电子产品认证，并且参编相应国标（GB16280《线型感温火灾探测器》）。DTS的各个技术细节，所有组件全部都是由波汇科技自主研发和制造的，在性能和指标上都有可靠的保证。

值得一提的是，在今年1月，经过上海市名牌推荐委员会严格的初审、专业评审、综合评审及网上公示，波汇科技所研发的这套“分布式光纤测温系统”喜获“上海名牌明日之星（试点）”称号。据悉，上海名牌明日之星（试点），是上海市名牌推荐委员会为实现上海名牌战略，积极探索名牌产生和发展的创新机制，继续发挥名牌战略促进上海经济社会可持续发展的作用而组织的专项活动。

当然，每个成功的背后都有鲜为人知的付出。作为一家高新科技企业，波汇科技以技术创新作为发展主脉，其每年用于研发的投入可谓不遗余力。就拿研发场地而言，波汇科技现拥有2000多平方米的研发、小规模试生产和办公场所，内设2个研发专用的产品研发实验室、1个产品测试实验室和1个工程实验室，购置一系列产品研发所需要的仪器设备，包括光功率计、光纤熔接机、光谱仪、紫外固化设备、光学调整架、波长计、高速数字示波器、加热台、可视光源、信号发生器、白光源、LCR测试仪、高低温循环箱、高性能计算机、嵌入式系统开发环境等。如今坚持数年的卧薪尝胆、自主研制开发具有核心技术的产品，占领着行业技术制高点，这就是对波汇科技最好的回报。

当然硬件过关了，软件也不能落下。随着该行业的快速发展和崭新理念的快速传播，波汇科技也凝聚了一批技术领军人才。核心研发团队成员共66人，其中专业涵盖光学、电子技术、测试计量技术、通信技术、计算机技术、数字信号处理等，技术骨干具备平均10年以上产品硬件技术开发和软件技术开发经验，特别在光纤传感技术的硬件和软件技术开发方面具备丰富的实战经验，研发团队知识结构分布合理，具有良好的研发基础和再创新的能力。

凭借多年的研发播种，波汇科技终于到了收获的季节，其科研成果丰硕：已申请专利117个（其中国际专利3个，发明专利48个，实用新型64个，外观设计2个），其中已授权71个；申请软件著作权17个；获得国家权威机构产品检测报告13个、上海市高新技术成果转化项目2个、上海市火炬计划项目1个、国家火炬计划项目1个、科技创新报告6个；完成或进行中的国家级、市级科技项目共有22个；发表期刊会议论文共25篇；分别于中国科学院上海光学精密机械研究所、北京大学、上海理工大学、上海海事大学和中国地质大学建立了联合实验室。如今，波汇科技的产品已被大量应用于国家电网的电缆隧道监控，成功打入了中石油、中石化，并成为华为的全球合作伙伴。在国际市场上，已打开欧洲、澳洲及东南亚市场，并有世界500强企业贴牌其产品。