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光纤传感器的应用和案列

光纤传感器的应用和案列

2021-09-30 22:55

光纤传感器的应用

绝缘于污秽、磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流,光纤传感器可用于位移、震动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、PH值和应变等物理量的测量。光纤传感器的应用范围很广,几乎涉及国民经济和国防上所有重要领域和人们的日常生活,尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用,解决了许多行业多年来一直存在的技术难题,具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面的应用:

城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中,用于测试应力松弛、施工应力和动荷载应力,从而评估桥梁短期施工阶段和长期营运状态的结构性能。

在电力系统,需要测定温度、电流等参数,如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等,由于电类传感器易受电磁场的干扰,无法在这类场合中使用,只能用光纤传感器。分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术,分布式光纤温度传感系统不仅具有普遍光纤传感器的优点,还具有对光纤沿线各点的温度的分布传感能力,利用这种特点我们可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点温度,定位精度可达米的量级,测量精度可达1度的水平,非常适用大范围交点测温的应用场合。

此外,光纤传感器还可以应用于铁路监控、火箭推进系统以及油井检测等方面。

光纤同时具备宽带、大容量、远距离传输和可实现多参数、分布式、低能耗传感的显著优点。光纤传感可以不断汲取光纤通信的新技术、新器件,各种光纤传感器有望在物联网中得到广泛应用。

 

光纤传感器的案列

土木工程领域

随着光纤传感器技术的发展,在土木工程领域光纤传感器得到了广泛的应用,用来测量混凝土结构变形及内部应力,检测大型结构、桥梁健康状况等,其中最主要的都是将光纤传感器作为一种新型的应变传感器使用。

光纤传感器可以黏贴在结构物表面用于测量,同时也可以通过预埋实现结构物内部物理量的测量。利用预先埋入的光纤传感器,可以对混凝土结构内部损伤过程中内部应变的测量,再根据荷载-应变关系曲线斜率,可确定结构内部损伤的形成和扩展方式。通过混凝土实验表明,光纤测试的载荷-应变曲线比应变片测试的线性度高。

检测技术

光纤传感器在航天(飞机及航天器各部位压力测量、温度测量、陀螺等)、航海(声纳等)、石油开采(液面高度、流量测量、二相流中空隙度的测量)、电力传输(高压输电网的电流测量、电压测量)、核工业(放射剂量测量、原子能发电站泄露剂量监测)、医疗(血液流速测量、血压及心音测量)、科学研究(地球自转)等众多领域都得到了广泛应用。

石油工业

在石油测井技术中,可以利用光纤传感器实现井下石油流量、温度、压力和含水率等物理量的测量。较成熟的应用是采用非本征光纤F-P腔传感器测量井下的压力和温度。非本征光纤F-P腔传感器利用光的多光束干涉原理,当被测的温度或者压力发生变化时干涉条纹改变,光纤F-P腔的腔长也随之发生变化,通过计算腔长的变化实现温度和压力的测量。

温度测量

光纤传感技术是伴随光通信的迅速发展而形成的新技术。在光通信系统中,光纤是光波信号长距离传输的媒质。当光波在光纤中传输时,表征光波的相位、频率、振幅、偏振态等特征参量,会因温度、压力、磁场、电场等外界因素的作用而发生变化,故可以将光纤用作传感器元件,探测导致光波信号变化的各种物理量的大小,这就是光纤传感器。利用外界因素引起光纤相位变化来探测物理量的装置,称为相位调制传感型光纤传感器,其他还有振幅调制传感型、偏振态调制型、传光型等各种光纤传感器。

杨氏模量

采用传感器测量仪代替光杠杆镜尺组组成新的杨氏模量测量系统,不仅操作简短,而且提高了测量结果的精确度和准确度。金属丝传统的拉伸法的基本原理是将金属丝受到砍码的作用力后的微小伸长形变量通过镜尺组的光路转换而将之放大若干倍数,从而得到微小伸长,再通过计算得到杨氏模量值。

而自从有的传感器,我们把光纤传感器测量新方法和上述方法对比,光纤传感器的测量在灵敏度、精确度及准确度上都有提高。红外光测距系统测量的基本原理为采用红外光光纤传感器直接测量微小位移,红外光光纤传感器对于3mm以内的微小距离测量的线性度是非常高的。系统由传感器测量仪与反射式光纤位移传感器组成.

反射式光纤位移传感器的工作原理是采用两束多模光纤,一端合并组成光纤探头,另一端分为两束,分别作为接收光纤和光源光纤。当光发射器发生的红外光,经光源光纤照射至反射体,被反射的光经接收光纤,传至光电转换元件将接收到的光信号转换为电信号。其输出的光强与反射体距光纤探头的距离之间存在一定的函数关系,所以可通过对光强的检测得到位移量。在杨氏模量仪的金属丝处的圆柱体上利用磁铁固定镀镍反射金属片,使其能随钢丝伸长而移动。在支架台上固定红外传感器,而后在传感器测量仪上通过改变位移将实验得到的电势差值,通过多次测试,既转动传感器测量仪自带的螟旋测微仪,也即改变探头与金属片的距离和位置,当出现实验记录的钢丝仲长所对应的电势差值时,记录此时的螺旋测微仪读数。测试表明采用红外光测距此方法操作简单。只需将探头和反射片安装好后就可以直接开始在托盘上加法码实际测量了,侧量的结果是明显优于传统测试。

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