光纖傳感器的特點有哪些
在工程應用中和科學研究中，溫度都是一個非常重要參考量，占有舉足輕重的地位，傳統(tǒng)的溫度傳感器以熱電偶、半導體及鉑合金為主，它們的測量原理簡單成本較低，因而在實際應用中被廣泛使用。與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比，光纖溫度傳感器是利用一些物質(zhì)吸收的光譜會隨著溫度的變化而變化，再分析光纖傳輸?shù)墓庾V實時得測量溫度變化情況，它的測量精度較高，并且靈敏度實時可調(diào)。
光纖傳感器相對于其他傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、不受電磁干擾、耐腐蝕的特點，使得光纖傳感器的應用范圍較廣，涉及到國防以及國民經(jīng)濟領域和人們的日常生活。光纖溫度傳感器種類很多，主要有光纖光柵溫度傳感器、光纖FabryPerot干涉式溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器、拉曼光纖溫度傳感器等。
光纖傳感器的特點和優(yōu)勢
光纖傳感器是基于光纖的設備，用于檢測一些數(shù)量，通常是溫度或機械應變，但有時也包括位移，振動，壓力，加速度，旋轉(zhuǎn)（使用基于Sagnac效應的光學陀螺儀測量）或化學物質(zhì)的濃度。這種裝置的一般原理是來自激光器（通常是單頻?光纖激光器）或來自超發(fā)光源的光通過光纖發(fā)送，在光纖或一個或多個光纖布拉格中經(jīng)歷其參數(shù)的細微變化光柵，然后到達測量這些變化的探測器裝置。
一個區(qū)分內(nèi)在和外在的傳感器。固有傳感器是光纖本身（可能是修改形式，例如包含布拉格光柵）作為傳感器的傳感器。外部傳感器僅使用光纖將光傳輸?shù)綄嶋H傳感器或從實際傳感器傳輸光。
許多光纖傳感器基于單根光纖，但其他光纖傳感器則采用光纖束制成。例如，存在外部傳感器，其中一些照明光通過束的一些光纖發(fā)送到樣本，并且反射光或用過的熒光通過其他光纖發(fā)回。
與其他類型的傳感器相比，光纖傳感器具有許多優(yōu)點：
- 它們由電絕緣材料（不需要電纜）組成，這使得它們可以用于例如高壓環(huán)境中。
- 它們可以安全地用于爆炸性環(huán)境中，因為即使在出現(xiàn)缺陷的情況下也不存在電火花的風險。
- 它們不受電磁干擾（EMI）的影響，即使是附近的雷擊，也不會對其他設備造成電擊。
- 它們的材料可以是化學被動的，即不會污染其周圍環(huán)境并且不會受到腐蝕。
- 它們具有非常寬的工作溫度范圍（比許多電子設備可能的范圍寬得多）。
- 它們具有多路復用功能：單個光纖線路中的多個傳感器可以通過單個光源進行查詢。
布拉格光柵傳感器
光纖傳感器通常基于光纖布拉格光柵。許多光纖傳感器的基本原理是光纖布拉格光柵的布拉格波長（即最大反射波長）不僅取決于布拉格光柵周期，還取決于溫度和機械應變。
對于基于二氧化硅纖維的光學應變傳感器，布拉格波長對應變的分數(shù)響應比應變本身小約20％，因為應變的直接影響在某種程度上通過折射率的降低而降低。溫度效應接近單獨熱膨脹所預期的溫度效應。應變和溫度的影響可以通過各種技術來區(qū)分（例如，通過使用不受應變影響的參考光柵，或者通過組合不同類型的光纖光柵），從而同時獲得兩個量。
對于純應變傳感，分辨率可以是幾μs的范圍（即，相對長度變化幾倍10?-6），并且精度可能不會低得多。對于動態(tài)測量（例如聲學現(xiàn)象），可以實現(xiàn)在1Hz帶寬內(nèi)優(yōu)于1nε的靈敏度。
還有布拉格光柵激光傳感器，其中實現(xiàn)了光纖激光器，由兩個光柵和其間的稀土摻雜光纖組成?；蛘?，另一側可以有一個FBG和一個寬帶反射器。當提供泵浦光時，這種裝置產(chǎn)生波長接近布拉格波長的輸出。
準分布式傳感
單根光纖可以包含許多串聯(lián)的光柵傳感器（見上文），以監(jiān)測沿整個光纖的溫度和應變分布。這稱為準分布式傳感。有不同的技術來解決單個光柵（以及沿光纖的某些位置）：
- 在稱為波分復用（WDM）或光頻域反射計（OFDR）的一種技術中，光柵具有略微不同的布拉格波長。甲波長可調(diào)?激光器中的詢問器單元可以被調(diào)諧到屬于特定的光柵波長，和最大的波長的反射率表示應變或溫度的影響，例如。或者，寬帶光源（例如，超發(fā)光源）可以與波長掃描光電探測器（例如，基于光纖Fabry-Pérot）或基于CCD的光譜儀一起使用。。在任何情況下，光柵的最大數(shù)量通常在10和50之間，受光源的調(diào)諧范圍或帶寬和每個光纖光柵所需的波長間隔的限制。
- 另一種稱為時分多路復用（TDM）的技術使用相同的弱反射光柵，用短光脈沖進行詢問。然后通過它們的到達時間來區(qū)分來自不同光柵的反射。時分復用通常與波分復用相結合，以便將不同信道的數(shù)量乘以數(shù)百甚至數(shù)千。
- 光學開關允許人們在不同的光纖線路之間進行選擇，進一步增加可能的傳感器數(shù)量。
分布式傳感
其他光纖傳感器不使用光纖布拉格光柵作為傳感器，而是使用光纖本身。然后，傳感原理可以基于瑞利散射，拉曼散射或布里淵散射。例如，光時域反射計是一種使用脈沖探測信號可以定位弱反射的方法。例如，還可以利用布里淵頻移的溫度或應變依賴性。
在某些情況下，測量的量是整個纖維長度的平均值。對于某些溫度傳感器而言，情況也是如此，但對于用作陀螺儀的Sagnac干涉儀也是如此。在其他情況下，測量位置相關的量（例如溫度或應變）。這稱為分布式傳感。
有關更多詳細信息，請參閱光學溫度傳感器和光學應變傳感器的文章
其他方法
除了上述方法之外，還有許多替代技術。一些例子是：
- 光纖布拉格光柵可用于干涉光纖傳感器，其中它們僅用作反射器，并且測量的相移由它們之間的光纖跨距產(chǎn)生。
- 存在布拉格光柵激光傳感器，其中傳感器光柵形成光纖激光?諧振器的端鏡，其包含例如一些摻鉺光纖，其通過光纖線接收一些980nm泵浦光。布拉格波長取決于例如溫度或應變，決定激光發(fā)射波長。這種方法具有許多進一步的變化，由于這種光纖激光器的線寬小而具有非常高的分辨率，并且具有非常高的靈敏度。
- 在某些情況下，成對的布拉格光柵被用作光纖法布里 – 珀羅干涉儀，它可以對外部影響做出特別敏感的反應。法布里 – 珀羅干涉儀也可以用其他方法制造，例如在光纖中具有可變的氣隙。
- 長周期光纖光柵對于多參數(shù)傳感（例如溫度和應變）特別有用，并且對于對溫度變化具有非常低靈敏度的應變傳感也是如此。
應用
即使經(jīng)過多年的發(fā)展，光纖傳感器仍未取得巨大的商業(yè)成功，因為即使它們具有某些局限性，也難以取代已經(jīng)成熟的技術。然而，對于某些應用領域，光纖傳感器越來越被認為是一種具有非常有趣可能性的技術。這尤其適用于惡劣環(huán)境，例如高壓和高功率機械或微波爐中的傳感。布拉格光柵傳感器還可用于監(jiān)測例如飛機機翼，風力渦輪機，橋梁，大型水壩，油井和管道中的狀況。帶有集成光纖傳感器的建筑有時被稱為“智能結構”;
