光纖傳感器

　　ICCSZ訊 近年來，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。光纖傳感器基本構(gòu)成及原理　　光纖傳感器由光源、入射光纖、出射光纖、光調(diào)制器、光探測器以及解調(diào)制器組成。其基本原理是將光源的光經(jīng)入射光纖送人調(diào)制區(qū)，光在調(diào)制區(qū)內(nèi)與外界被測參數(shù)相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)(如強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等)發(fā)生變化而成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)出射光纖送入光探測器、解調(diào)器而獲得被測參數(shù)。

　　光纖傳感器按傳感原理可分為兩類：一類是傳光型(非功能型)傳感器，另一類是傳感型(功能型)傳感器。在傳光型光纖傳感器中，光纖僅作為光的傳輸媒質(zhì)，對被測信號的感覺是靠其它敏感元件來完成的，這種傳感器中出射光纖和入射光纖是不連續(xù)的，兩者之間的調(diào)制器是光譜變化的敏感元件或其它性質(zhì)的敏感元件。在傳感型光纖傳感器中光纖兼有對被測信號的敏感及光信號的傳輸作用，將信號的“感”和“傳” 合而為一，因此這類傳感器中光纖是連續(xù)的?！　∮捎谶@兩種傳感器中光纖所起的作用不同，對光纖的要求也不同。在傳光型傳感器中光纖只起傳光的作用，采用通信光纖甚至普通的多模光纖就能滿足要求，而敏感元件可以很靈活地選用優(yōu)質(zhì)的材料來實(shí)現(xiàn)，因此這類傳感器的靈敏度可以做得很高，但需要較多的光耦合器件，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜;傳感型光纖傳感器的結(jié)構(gòu)相對來說比較簡單，可少用一些耦合器件，但對光纖的要求較高，往往需采用對被測信號敏感、傳輸特性又好的特殊光纖。到目前為止，實(shí)際中大多數(shù)采用前者，但隨著光纖制造工藝的改進(jìn)，傳感型光纖傳感器也必將得到廣泛的應(yīng)用。

　　按光在光纖中被調(diào)制的原理不同，光纖傳感器可分為：強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型、頻率調(diào)制型、波長調(diào)制型等。迄令為止，光纖傳感器能夠測定的物理量已達(dá)七十多種。光纖傳感器特點(diǎn)與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：(1) 靈敏度高。由于光是一種波長極短的電磁波，通過光的相位便得到其光學(xué)長度。以光纖干涉儀為例，由于所使用的光纖直徑很小，受到微小的機(jī)械外力的作用或溫度變化時其光學(xué)長度要發(fā)生變化，從而引起較大的相位變化。假設(shè)用1 0米的光纖，l℃的變化引起1000ard的相位變化，若能夠檢測出的最小相位變化為0.01ard，那么所能測出的最小溫度變化為l 0℃ ，可見其靈敏度之高。(2) 抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖又是電絕緣、耐腐蝕的傳輸媒質(zhì)，并且安全可靠，這使它可以方便有效地用于各種大型機(jī)電、石油化工、礦井等強(qiáng)電磁干擾和易燃易爆等惡劣環(huán)境中。(3) 測量速度快　　光的傳播速度最快且能傳送二維信息，因此可用于高速測量。對雷達(dá)等信號的分析要求具有極高的檢測速率，應(yīng)用電子學(xué)的方法難以實(shí)現(xiàn)，利用光的衍射現(xiàn)象的高速頻譜分析便可解決。(4) 信息容量大　　被測信號以光波為載體，而光的頻率極高，所容納的頻帶很寬，同一根光纖可以傳輸多路信號。(5)適用于惡劣環(huán)境　　光纖是一種電介質(zhì)，耐高壓、耐腐蝕、抗電磁干擾，可用于其它傳感器所不適應(yīng)的惡劣環(huán)境中。

　　此外，光纖傳感器還具有質(zhì)量輕、體積小、可繞曲、測量對象廣泛、復(fù)用性好、成本低等特點(diǎn)。光纖傳感器的應(yīng)用　　正是由于光纖傳感器擁有如此之多的優(yōu)點(diǎn)，使得其應(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。

　　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，因此光纖傳感器在油井參數(shù)測量中發(fā)揮著不可替代的作用，它將成為可應(yīng)用于油氣勘探及石油測井等領(lǐng)域的一項(xiàng)具有廣闊市場前景的新技術(shù)。光纖傳感器在油氣勘探中的應(yīng)用。

    1.1光纖傳感器由于其抗高溫能力、多通絡(luò)、分布式的感應(yīng)能力，以及只需要較小的空間即可滿足其使用條件的特點(diǎn)，使得在勘探鉆井方面尤其獨(dú)特的優(yōu)勢。

　　應(yīng)用光纖傳感器可以制成井下分光計，分布式溫度傳感器及光纖壓力傳感器等適用于這種特殊作業(yè)要求的產(chǎn)品。(1) 井下分光計流體分析儀如圖1所示，可用于了解初期開發(fā)過程中的原油組成成分。它由兩個傳感器合成：一個是吸收光譜分光纖，另一個是熒光和氣體探測器。井下流體通過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。流體分析分光計則提供了原位井下流體分析，并對地層流體的評估加以改進(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)測注水蒸氣重油開采系統(tǒng)。蒸汽被注入重油層用以降低油的黏度，使稠油能夠開采出來。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目前正在研發(fā)中，其主要致力于超高溫和井下壓力監(jiān)測任務(wù)。目前基于光纖傳感器已經(jīng)出現(xiàn)其他商業(yè)產(chǎn)品，例如，用于多相流測量和分布式動態(tài)應(yīng)變測量的光纖探針。其高可靠性和高效低耗的技術(shù)優(yōu)勢是光纖產(chǎn)品在油田應(yīng)用上取得成功的關(guān)鍵因素。

　　1.2 光纖傳感器在石油測井中的應(yīng)用石油測井是石油工業(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，通過先進(jìn)的技術(shù)手段對這些量進(jìn)行長期的實(shí)時監(jiān)測，及時獲取油氣井下信息，對石油工業(yè)具有極為重要的意義。光纖傳感器對電磁干擾不敏感而且能承受極端條件，包括高溫、高壓以及強(qiáng)烈的沖擊與振動，可以高精度地測量井筒和井場環(huán)境參數(shù)，同時，光纖傳感器具有分布式測量能力.可以測量被測量的空間分布，給出剖面信息。而且，光纖傳感器橫截面積小，外形短，在井筒中占據(jù)空間極小。而這些特性都是傳統(tǒng)的電子傳感器在井下的惡劣環(huán)境下所不具備的。

　　利用光纖傳感器可以進(jìn)行井下流量測量、溫度測量、壓力測量、含水(氣)測量、密度測量、聲波測量等。(1) 流量測量。由于光的強(qiáng)度、相位、頻率、波長等特性在光纖傳輸?shù)倪^程中會受到流量的調(diào)制，利用一定的光檢測方法把調(diào)制量轉(zhuǎn)換成電信號，就可以求出流體的流量，這就是光纖流量計的工作原理。(2) 溫度及壓力測量。分布式光纖測量系統(tǒng)(DTS)利用光纖后向拉曼散射的溫度效應(yīng)，可以對光纖所在的溫度場進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，EFPI型(非本征型F-P干涉)、FBG型光纖傳感器為波長編碼型傳感器，具有靈敏度高、可同時測量壓力、溫度、應(yīng)力等多個參量的特點(diǎn)。

　　光纖熱色溫度傳感器是由白光源、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，可測瞬問溫度，響應(yīng)速度快，不需要熱平衡時間，可用于高溫測量;半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器利用其半導(dǎo)體材料的吸收邊波長隨著溫度的增加而向較長波長位移的特性，選擇適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體發(fā)光二極管，使其光譜范圍正好落在吸收邊的區(qū)域，這樣透過半導(dǎo)體的光強(qiáng)就隨著溫度的增加而減少。(3) 含水(氣)率及密度測量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分辨率和放射性物質(zhì)的應(yīng)用問題，對于多相流體油、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流體持率，可同時測流體密度，其精度較高。(4) 聲波測量　　地震波在不同的介質(zhì)中傳播，接收到的地震波波形就會不同，根據(jù)不同的地震波形態(tài)，可識別地層沉積序列和沉積構(gòu)造，為儲層定位、判斷竄槽、檢測套管破損及斷裂、射孔層位及確定流體流量等。VSP地震測井，就是把檢波器放人井中，通過地面擊發(fā)的地震波或利用井中流體流動等產(chǎn)生的微震動，由井中的檢波器接收地震信號。永久井下光纖三分量地震測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，且沒有可移動部件和井下電子器件，能經(jīng)受強(qiáng)的沖擊和震動，可安裝在復(fù)雜的完井管柱極小的空間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)上存在著各種各樣的隱患，因此，對系統(tǒng)內(nèi)各種線路、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分布式監(jiān)測顯得尤為重要。

　　1 在高壓電纜溫度和應(yīng)變測量中的應(yīng)用。目前，國外(主要是英國、日本等)已利用激光喇曼光譜效應(yīng)研制出分布式光纖溫度傳感器產(chǎn)品。而國內(nèi)也在積極地開展這方面的研究工作。國內(nèi)把分布式光纖溫度傳感技術(shù)引入電力系統(tǒng)電纜測溫的研究工作只是剛剛開始。聯(lián)系到我國南方地區(qū)去年所遭受到的雪災(zāi)來考慮，如果能在高壓電纜上并行地鋪設(shè)傳感光纜，對電力系統(tǒng)電纜、鐵塔等設(shè)施的溫度、壓力等參量進(jìn)行實(shí)時測量，就能夠做到及時排險，從而盡可能減少經(jīng)濟(jì)損失?？梢姡饫w傳感器在電力系統(tǒng)將具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　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，以更精確地測量電纜的實(shí)際溫度。對于直埋動力電纜來說，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。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?，電功率測量是電力計量的一項(xiàng)重要內(nèi)容。隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的電磁測量方法日益顯露出其固有的局限性，如電絕緣、電磁干擾、磁飽和等問題，因而人們一直在致力于尋找測量電功率的新方法?？梢哉f光纖傳感器的出現(xiàn)給人們解決這一問題帶來了福音。光纖電功率傳感器的主要特點(diǎn)是：由于電功率傳感同時涉及電壓、電流2個電量，因而通常需要同時考慮電光、磁光效應(yīng)，同時利用2種傳感介質(zhì)或1種多功能介質(zhì)作為敏感元件，這使得光纖電功率傳感頭的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜;光纖電功率傳感器的光傳感信號中有時同時包含電壓、電流信號，因此其信號檢測與處理方法也將比較復(fù)雜。3 在電力系統(tǒng)光纜監(jiān)測中的應(yīng)用電力系統(tǒng)光纜種類繁多，加之我國地域廣闊，各地環(huán)境差異很大，所以光纜的環(huán)境也很復(fù)雜，其中溫度和應(yīng)力是影響光纜性能的主要環(huán)境因素。因此，在監(jiān)測光纖斷點(diǎn)的同時也對光纜所處溫度和應(yīng)力情況進(jìn)行監(jiān)測，可見對光纜的故障預(yù)警及維護(hù)意義深遠(yuǎn)。通過測量沿光纖長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)的工程研究價值?；诓祭餃Y光時域反射(BOTDR)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，采用相干檢測技術(shù)，系統(tǒng)原理如圖1所示。

　　圖1 基于BOTDR傳感系統(tǒng)原理

　　BOTDR光纖傳感系統(tǒng)測量的是光纖的自發(fā)布里淵散射信號，其信號強(qiáng)度非常微弱，但可以采用相干檢測技術(shù)提高系統(tǒng)信噪比。這種方案可單光源、單端工作，系統(tǒng)簡單，實(shí)現(xiàn)方便，而且可同時監(jiān)測光纖斷點(diǎn)、損耗、溫度和應(yīng)變。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量、血流速度測量、pH值測量三個方面的應(yīng)用。此外，它還可以應(yīng)用于測量溫度和醫(yī)用圖像傳輸上面?！　?/p>

   1 壓力測量。目前臨床上應(yīng)用的壓力傳感器主要用來測量血管內(nèi)的血壓、顱內(nèi)壓、心內(nèi)壓、膀胱和尿道壓力等。用來測量血壓的壓力傳感器示意見圖1。其中對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，反射鏡對面是一束光纖，用來傳遞入射光到反射鏡，同時也將反射光傳送出來。當(dāng)薄膜上有壓力作用時。薄膜發(fā)生形變且能帶動懸臂使反射鏡角度發(fā)生改變，從光纖傳來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。這一變化通過光纖傳到另一端的光電探測器變成電信號，這樣通過電壓的變化便可知探針處的壓力大小。

　　圖1 光纖體壓計探針　　2 血流速度測量多普勒型光纖速度傳感器測量皮下組織血流速度的示意見圖2此裝置利用了光纖的端面反射現(xiàn)象，測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。

　　圖2 光纖體壓計探針　　

 發(fā)光頻率為f的激光經(jīng)透鏡，光纖被送到表皮組織。對于不動的組織，例如血管壁，所反射的光不產(chǎn)生頻移;而對于皮層毛細(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)動速度成正比。發(fā)射光經(jīng)光纖收集后，先在光檢測器上進(jìn)行混頻，然后進(jìn)人信號處理儀，從而得到紅細(xì)胞的運(yùn)動速度和濃度。3 pH值測量　　用來測定活體組織和血液值pH光纖光譜傳感器示意圖，如圖3所示。其工作原理是利用發(fā)射光、透射光的強(qiáng)度隨波長的分布光譜來進(jìn)行測量。這種傳感器將兩根光纖插入可透過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的光.用光譜分析儀測出此種變化，即可求得血液或組織的pH值。

　　圖3 測定pH值的光纖光譜儀