光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测的光信号的传感器。光纤传感器的工作原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制器,在调制器内与外界被测参数的相互作用, 使光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化,成为被调制的光信号,再经过光纤送入光电器件、经解调器后获得被测参数。整个过程中,光束经由光纤导入,通过调制器后再射出,其中光纤的作用首先是传输光束,其次是起到光调制器的作用。
近年来,传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中,光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能,例如:抗电磁干扰和原子辐射的性能,径细、质软、重量轻的机械性能;绝缘、无感应的电气性能;耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等,它能够在人达不到的地方(如高温区),或者对人有害的地区(如核辐射区),起到人的耳目的作用,而且还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。
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,使待测参数与进入调制区的光相互作用后,导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化,称为被调制的信号光,在经过光纤送入光探测器,经解调后,获得被测参数。
一、灵敏度较高;
二、几何形状具有多方面的适应性,可以制成任意形状的光纤传感器;
三、可以制造传感各种不同物理信息(声、磁、温度、旋转等)的器件;
四、可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境;
五、而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。
光纤传感器应用:磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。
① 传光型光纤传感器 以多模光导纤维来传输光信号,根据光接受强度不同进行测量,而对被测参数起检测作用的是其他敏感元件。这种传感器多用于工业检测液位、压力、形变、温度、流速、电流、磁场等。它的优点是性能稳定可靠,结构简单,造价低廉,缺点是灵敏度低。图1[ 光纤液位传感器]为光纤液位传感器的原理示意图。
② 光强调制型光纤传感器 在压力作用下光纤产生微弯变形导致光强度变化,从而引起光纤传输损耗的改变,并由吸收、发射或折射率变化来调制发射光,可制成微弯效应的光纤压力传感器(图2[ 微弯效应光纤压力传感器])。由于齿板的作用,在沿光纤光轴的垂直方向上加有压力时,光纤产生微弯变形,光波导方式改变,传输损耗增加。这种传感器具有较高的灵敏度。此外,利用光学编码盘配合光纤可制成数字式光纤压力传感器。
③ 偏振调制型光纤传感器 单模光导纤维的偏振特性极易受到外界各种物理量的影响,如在高电场下的克尔效应和在强磁场下的法拉第效应,利用这一原理可制成大电流、高电压测试传感器(图3[ 偏振光面变化检测原理图])
④ 相位调制型光纤传感器 用单模光导纤维构成干涉仪,外界各种物理量的影响因素能导致光导纤维中光程的变化,从而引起干涉条纹的变动。图4[ 干涉仪式光纤温度传感器]
光纤传感器是最近几年出现的新技术,可以用来测量多种物理量,比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等,还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里,在强电磁干扰和高电压的环境里,光纤传感器都显示出了独特的能力。目前光纤传感器已经有70多种,大致上分成光纤自身传感器和利用光纤的传感器。
所谓光纤自身的传感器,就是光纤自身直接接收外界的被测量。外接的被测量物理量能够引起测量臂的长度、折射率、直径的变化,从而使得光纤内传输的光在振幅、相位、频率、偏振等方面发生变化。测量臂传输的光与参考臂的参考光互相干涉(比较),使输出的光的相位(或振幅)发生变化,根据这个变化就可检测出被测量的变化。光纤中传输的相位受外界影响的灵敏度很高,利用干涉技术能够检测出10的负4次方弧度的微小相位变化所对应的物理量。利用光纤的绕性和低损耗,能够将很长的光纤盘成直径很小的光纤圈,以增加利用长度,获得更高的灵敏度。
光纤声传感器就是一种利用光纤自身的传感器。当光纤受到一点很微小的外力作用时,就会产生微弯曲,而其传光能力发生很大的变化。声音是一种机械波,它对光纤的作用就是使光纤受力并产生弯曲,通过弯曲就能够得到声音的强弱。光纤陀螺也是光纤自身传感器的一种,与激光陀螺相比,光纤陀螺灵敏度高,体积小,成本低,可以用于飞机、舰船、导弹等的高性能惯性导航系统。如图就是光纤传感器涡轮流量计的原理。
光纤传感器流量计原理如下:
另外一个大类的光纤传感器是利用光纤的传感器。其结构大致如下:传感器位于光纤端部,光纤只是光的传输线,将被测量的物理量变换成为光的振幅,相位或者振幅的变化。在这种传感器系统中,传统的传感器和光纤相结合。光纤的导入使得实现探针化的遥测提供了可能性。这种光纤传输的传感器适用范围广,使用简便,但是精度比第一类传感器稍低。
光纤在传感器家族中是后起之秀,它凭借着光纤的优异性能而得到广泛的应用,是在生产实践中值得注意的一种传感器。
光纤传感器凭借着其大量的优点已经成为传感器家族的后起之秀,并且在各种不同的测量中发挥着自己独到的作用,成为传感器家族中不可缺少的一员。
光纤传感器的调试方法和过程可以按照以下步骤进行:
确保光纤传感器及其相关设备已正确安装并连接。
检查光纤传感器及连接线路是否完好无损,确保没有损坏或断裂的情况。
选择适当的光源:根据传感器的检测范围和检测要求,选择合适波长的光源。一般来说,波长在650到900纳米之间的激光光源效果较好。
调整放大器增益:先将光源的功率调整到合适的范围,然后根据检测信号的大小调节放大器的增益,以确保信号能够被准确地检测并显示。
调整光纤位置:调整光纤的位置,使其与被检测对象有适当的接触,并确保光源的光线可以被光纤正确地传递。这可以通过微调光纤末端的位置或调整固定光纤的夹具来完成。
设定门坎值:根据具体情况设定门坎值。例如,在无被测物块状况下,可以通过拨到SET方式并按UP/DOWN键来设定门坎值。门坎值的设定应基于当前光数值,并考虑到检测精度和稳定性的需求。
进行校准:根据具体需求选择适当的校准方式,如全自动校准、两点校准、一般校准或位置校准。在校准过程中,需要按照传感器的说明书或调试指南进行操作,以确保校准的准确性。
测试与验证:在完成调试后,需要对光纤传感器进行测试和验证,以确保其能够正常工作并满足检测要求。这包括在不同条件下对传感器进行检测,观察其响应和准确性。
在调试过程中,应遵循传感器的使用说明和安全规范,避免对传感器或相关设备造成损坏。
调试完成后,应定期对光纤传感器进行维护和检查,以确保其长期稳定运行。
通过以上步骤和注意事项,可以有效地完成光纤传感器的调试工作,确保其能够正常工作并满足实际应用需求。