光纤传感器检测技术（通用12篇）
光纤传感器检测技术 篇1
0引言
随着科技的发展,各类新型传感器材料出现,其中最具代表性的就是光纤传感器,它因具备极强的抗磁性、高灵敏性、重量轻,并能适应各种环境等特点,在各个领域得到了广泛的应用,有着极大地发展潜力。当前已经成功诞生了有关温度、压力、位移和电流等多样的物理量光纤传感器。
1光纤传感器的分类
光纤就是通过光的全反射原理对光波进行指引的技术。在光纤传输光波的时候,有关光波的振幅、相位和波长等特性参量,会受被测温度、压力和电磁场等参量的影响。会对光波的强度、干涉效果、偏振产生变化,将光波变成可以受调制的信号光,再通过光探测器和解调器对被测参量进行测算获得参数。按照传感原理的不同,光纤传感器可以划分为两种:一种是功能型传感器:此类传感器的光纤在测量信号时会出现敏感和传输两种作用,让传感器具备了“传”、“感”合二为一的功能。另一种是非功能型传感器:此类传感器中的光纤只是单一的起着传输的作用,需要利用其他光学敏感元器件才能完成对测量工作。如果按照光纤调制的原理,光纤传感器则可以划分为光强、相位、偏振和波长等几种调制型传感形式。
2光纤传感器的应用原理
2.1光强调制型光纤传感器的应用原理
所谓的光强调制型就是光纤中的光强受被测参量的变化而变化的光纤传感器。导致光纤中光强产生变化的原因有:光纤的微弯状态发生变化,光纤吸收对光波的性能发生变化,光纤中的包层折射率发生变化。文章介绍三种引起光纤光强变化的原因所制成的光强调制型传感器的工作原理。
2.1.1光纤微弯状态变化
通过微弯效应制造的光纤位移传感器工作原理就是在多模光纤弯曲的状态下,其中的一部分芯模能量发生转变,转变成包层模式能量。然后再利用测算包层模式能量的变化情况来获得位移。比如:光纤报警器,就是利用光纤微弯状态原理进行工作。通过将弯曲状态的光纤嵌入地毯内,当地毯受到重物的挤压,弯曲状态变化剧烈,导致光纤中的光强发生变化,生成了报警信号。这类传感器的核心所在就是变形器的最佳结构,结构直接影响着传感器的工作效果。
2.1.2光波的吸收性能变化
通过x和γ射线可以增强光纤的吸收损耗,以此减少光纤的输出功率。光纤辐射传感器就是运用这一原理制造而成,主要应用于大范围的核电站监测工作中。光纤紫外传感器与之工作原理类似。光纤在紫外光的照射下会出现纤荧光,通过荧光强弱变化来完成对紫外光强的检测。此类传感器的核心材料就是特殊光纤。
2.1.3包层折射率变化
通过将光纤端面的角度改变为临界角,改变的端面可以完全反射光纤芯,再经过反射镜按照原路输送出去即完成一整套的工作流程。当温度和折射率等被测参量发生变化时,光纤包层的折射率也会随之变化,如果其中一个全反射条件受到影响,那么输出的光强也会随着降低,这就是通过改变包层的折射率进行光线反射的原理。利用这种原理可以制作液体浓度等类型的传感器。
2.2相位调制型光纤传感器的应用原理
相位传感器通过运用光纤的敏感元器件对被测参量发生的折射率、传感参数或者光强的变化从干涉仪调制中获得被测量的数据。利用此原理制作的光纤干涉仪能够对地震、水压、温度和电磁场进行检测,并进行数据分析。相位光纤传感器具有极高的敏感性,传感对象范围也非常广泛,但是需要应用特种光纤。目前常用的双折射率的单模光纤不能直接应用,为了增强光纤的增敏性和去敏性,需要对单模光纤进行特殊加工才能够满足不同物理量的敏感要求。
2.3偏振态调制型光纤传感器的应用原理
偏振态调制型光纤传感器的核心原理就是利用被测对象参数光波偏振变化来实现测量,其原理基础就是光纤的法拉第效应,在磁场中光波会发生偏振面旋转。这种类型的传感器主要应用于大电流的检测工作中,可以进行大面积测量,且高灵敏度和不需碰触高压线。但是此类传感器也有一定的不足,最突出的问题就是在温度和压力的作用下光纤会出现双折射带测量误差。
3结语
光纤传感器具有高灵敏性、抗磁性、电绝缘性、稳定性、安全性、低损耗、高传输性、形状灵活可变和多功能传感监控的优势,已经在各个行业中得到了普及。大力发展光纤传感器不仅是现代化的需要,也是提高测量工作效率和精确度的有效渠道。
参考文献
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[4]郭良,张汉深,朱虹.光纤传感技术在大型结构施工中的应用[J].建设科技,2005(14).
光纤传感器检测技术 篇2
光纤气体检测综述
1.1国内外光纤气体检测技术的发展
气体传感器是一种把气体中的特定成分检测出来, 并转换成电信号的器件, 人们很早就开始了气体传感器的研究, 将其用来对有毒、有害气体的探测, 对易爆、易燃气体的安全报警。对人类生产生活中所需了解的气体进行检测、分析研究等, 使得它在工业生产和日常生活中起到耳目的作用。
光纤传感技术是一项正在发展中的具有广阔前景的新型高技术。由于光纤本身在传递信息过程中具有许多特有的性质, 如光纤传输信息时能量损耗很小, 给远距离遥测带来很大方便。光纤材料性能稳定, 不受电磁场干扰, 在高温、高压、低温、强腐蚀等恶劣环境下保持不变所以光纤传感器从问世到如今, 一直都在飞速发展[1]。
世界上已有多种光纤传感器，诸如位移、速度、加速度、压力、流量等物理量都实现了不同性能的光纤传感。光纤气体传感技术是光纤传感技术的一个重要应用分支，主要基于气体的物理或化学性质相关的光学现象或特性。近年来，它在环境监测、电力系统以及油田、矿井、辐射区的安全保护等方面的应用显示出其独特的优越性[2]。
1989年，西安应用光学研究所的郭栓运对光纤气体传感器展开研究，在应用光学杂志上介绍了差分光谱吸收的基本原理，给出了实验框图和应用实例[15]。
1992年，中国矿业大学的王耀才等在光纤通信技术杂志上介绍了吸收型光纤瓦斯传感技术和干涉型瓦斯传感器的原理，并对其在煤矿重的应用前景做了探讨[16]。
1997年，山东矿业学院的曹永茂等人针对光纤瓦斯传感器光波波长的选择展开讨论，提出根据传感器技术指标来确定光纤瓦斯传感器的基本参数，并建立了相应的数学模型[17]。
1999年，大连理工大学刘文琦等人报道了一种新型透射式光纤甲烷传感器，用1.31μｍ InGaAsP型LED做光源测量甲烷浓度，通过研究制备一种纳米级多透射膜，增强了甲烷气体对激光的光谱吸收[18]。同年，香港理工大学,靳伟应用调制光盘技术对DFB激光器惊醒调制，研究光纤气体传感器的分时多路复用（TDM）技术。靳伟建立了计算仿真模型，仿真结果表明由20个甲烷气体传感器组成的光纤气体传感器阵列的检测灵敏度可以达到2000ppm[19-20]。之后靳伟博士与清华大学喻洪波合作，实现了连续波调频技术复用的光纤气体多点传感系统[21]。
2000年，浙江大学叶险峰等在对CH4分子近红外洗后光谱分析比较的基础上考虑与光纤的低损耗窗口相一致以及价格等因素，采用价廉的1.3μｍ波段的LED作为光源，实现了对甲烷气体的检测，检测灵敏度为1300ppm/m[6]。
2001年，燕山大学王玉田等根据甲烷气体的吸收光谱，研究了一种利用价格低廉的LED作为光源的新型投射式光纤甲烷气体传感器，选择两种同型号的LED光源作为差分吸收信号，光源驱动器自动实行交替斩波[7]。为了保证系统对甲烷气体检测的精度，采取了两项措施，一是设置了参考通道，二是采用了光源反馈通道以增强LED光源的稳定性[8]。
2005年，张爱军[3]对光谱吸收型光纤气体进行了研究。每一种气体都有固有的吸收谱，当光源的发射光波与气体的洗后光波长相吻合时，就会放生共振洗后，其洗后强度与该气体的浓度有关，通过测量光的吸收强度就可测量气体的浓度。以甲烷气体为例，通过实验研究，分析了吸收路径长度对传感器灵敏度的影响，增加吸收路径的长度，有利于提高传感器的灵敏度。气体体浓度较小时，通过增加吸收路径的长度来提高传感器的灵敏度效果明显。
2006年，中国科学院安徽光机所的阚瑞峰等可调谐二极管激光吸收光谱与多次反射池相结合，研制了用于地面环境空气中甲烷含量检测的便携式吸收光谱仪，并利用不同体积分数的甲烷气体对系统进行了测试，取得了很好的测试结果[9]。王晓梅等分析了TDLAS谐波信号的特征，建立了谐波信号的数学模型，利用较高浓度气体的二次谐波信号作为曲线，对待测气体的谐波信号进行线性回归[10]。
2007年，燕山大学王艳菊等采用双光路、双波长来解决光源功率波动、光纤损耗等问题，在接受端采用旋转双色滤光器和单探测器消除了双光电器件的飘逸对测量结果的影响[11]。同年，中国科学院安徽光机所的陈玖等应用自平衡测量方法，消除了激光的共模噪声和其他同性干扰的影响，该方法不用加信号调制和所想放大器，减小了系统装置的体积，易于集成便携式痕量气体检测仪[12]。
2008年，褚衍平等通过光纤光栅和压电陶瓷对快带光源LED进行调制，获得了与气体吸收峰对应的窄带反射出射光，检测二次谐波实现气体浓度的高灵敏测量，利用测量气室和参考气室的二次谐波比值来消除吸收系数随环境的变化、光源光功率的波动和光路干扰对测量精度的影响[13]。
2009年，华南理工大学肖兵等基于自平衡激光接收器和数字锁定放大器构造了TDLAS汽车尾气动态浓度测量系统，自平衡激光接收器通过引入一个低频反馈回路去维持吸收信号和参考信号的自动平衡，数字锁定放大器由DSP芯片实现相关检测算法，提高了系统的测量灵敏度[14]。
2010年，南京航空航天大学齐洁提出了基于光源扫描的光纤气体传感器系统设计方案，设计了一种新的基于查分吸收院里的气体传感系统，能对单一气体记性对波段测定检测，同时可以完成多种气体共存环境的检测。提出了一种基于最小二乘的背景噪声消除方法。利用传感气室的输入和输出的拟合曲线相除的方法，实现了传感器输出的归一化，解决了传感器背景噪声漂移的问题，同时解决了浓度对气体吸收谱拟合线的影响，提高了测量精度[4]。
2012年，张可可[5]以比尔-郎伯定律为理论基础，研究利用光谱吸收法测量气体的浓度，根据HIRAN数据库，选择近红外区甲烷2v3带R3支的三条气体吸收线记性研究，并确定吸收谱线的相关参数。研究波长调制光谱与谐波检测理论，利用傅立叶级数展开模型和泰勒级数展开模型分析各次谐波信号，在频率调制信号模型的基础上，采用频率-强度调制信号模型研究强度调制对各次谐波信号的影响。研究高斯线型和洛伦兹线型的各次谐波型号余波长调制系数的关系，确定各次谐波最佳的波长调制系数。对激光在光路中多次反射形成的标准具晓莹展开研究，为标准具噪声的抑制提供理论依据。
专利方面，国内发明专利《D形光纤消逝场化学传感器》，发明提出一种用于医疗、环境监控、食品安全等检测量的D形光纤消逝场化学传感器。《光纤生物传感器》这是一种光纤生物传感器，用于测定环境中微生物的种类、含量等。《光纤液位传感器》，一种光纤液位传感器，包括有光源，探测器和传感头。《带有光纤气体传感器的传感系统》 专利号：CN101545860 发明人：夏华;J·S·戈德米尔;K·T·麦卡锡;A·库马;R·安尼格里;E·伊尔梅茨;A·V·塔瓦尔;Y·赵。这是一种包括光纤芯(32)的光纤气体传感器(20),该传感器具有 位于光纤芯周围的具有不同调幅轮廓的第一和第二折射率周期调制光 栅结构（36、38)。光纤包层(40)位于所述第一和第二折射率周期 调制光栅结构周围。敏感层(42)位于所述折射率周期调制光栅结构 的其中一个的光纤包层周围。该敏感层包括由Pd基合金制成的敏感材 料,该Pd基合金例如是纳米PdOx、纳米Pd(x)Au(y)Ni(1-x-y)或纳米 Pd/Au/WOx。光纤气体传感器提供对来自燃烧环境的局部温度校正气 体浓度和成分的测量。本发明也描述了具有一个或多个光纤气体传感 器的阵列的基于反射或基于透射的传感系统。《一种光纤气体传感器》 专利号：CN101059443 发明人：侯长军;霍丹群;张红英;廖海洋;郑小林;侯文生;杨军;皮喜田。这是一种光纤气体传感器,涉及检测光气及挥发性有机气体的光纤气体传感器。本发明传感器 主要包括入射光线和出射光纤、反应池及金属卟啉溶液等。由于本发明传感器具有操作简单、成本低廉；能使待测气体与金属卟啉溶液敏感物质充分反应,显著提高检测的灵敏度；同一 反应池能对多种目标气体同时进行有效检测；从反应池的加料口加入不同的金属卟啉溶液, 就能对不同的目标气体进行有效检测,检测范围广等特点,故本发明传感器可广泛应用于厂 房装修、室内装修、工业生产及精细化工等行业中检测光气及挥发性有机物气体,有利于环 境保护和人们的身心健康。SENSING SYSTEM WITH OPTICAL FIBER GAS SENSOR，专利号：JP2009244262发明人：XIA HUA;GOLDMEER JEFFREY SCOTT;MCCARTHY KEVIN THOMAS;KUMAR ADITYA;ANNIGERI RAVINDRA;YILMAZ ERTAN;TAWARE AVINASH VINAYAK;ZHAO YU。这个专利发明了一种传感系统以及传感器。传感系统包括一组不同类别的光纤气体传感器，这些传感器通过温度修正测量气体浓度。光纤气体传感器包括光纤芯，第一和第二折射率周期性调制光栅结在光纤芯里有不同的振幅调制方法。光纤包层包裹着第一和第二折射率周期性调制光纤结构。传感层位于光纤包层结构中。传感层包括一个由Pb合金传感材料，如纳米级氧化铂等。光纤气体传感器是在燃烧环境中通过温度修正测量气体浓度。
1.2光纤气体传感器分类
（1）光谱吸收型光纤气体传感器 光谱法通过检测样气透射光强或反射光强的变化来检测气体浓度。每种气体分子都有自己的吸收谱特征，光源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的部分才产生吸收，吸收后的光强发生变化。根据比尔-朗伯定律，当波长为λ 的单色光在充有待测气体的气室中
传播距离为L 后，其吸收后的光强为：
I(λ)=I0(λ)exp(-αλCL)（1）
式（1）中，I0(λ)为波长为λ 的单色光透过不含待测气体的气室时的光强；C 为吸收气体的浓度；αλ为光通过介质的吸收系数。整理即：
I0)ICL
（2）
ln(通过检测通气前后光强的变化，就可以测出待测气体的浓度。利用介质对光吸收而使光产生衰减这一特性制成吸收型光纤气体传感器原理如图1 所示。光源发出的光，由光纤送入气室，被气体吸收后，由出射光纤传至光电探测器，得到的信号光送入计算机进行信号处理，可得出气体浓度。
图1 光纤气体传感器原理框图
（2）渐逝场型光纤气体传感器
渐逝场型光纤传感器是利用光纤界面附近的渐逝场被气体吸收峰衰减来测量气体浓度的方法，是一种功能性光纤传感器，从本质上说，可以认为是一种特殊的光纤光谱吸收型传感器。（3）荧光型光纤气体传感器
这是一种通过测量与气体相应的荧光辐射来确定其浓度的光纤气体传感器。荧光可以由被测气体本身产生也可以由其相互作用的荧光染料产生。荧光物质受吸收光谱中特定波长的光照射时，被测气体的浓度既可以改变荧光辐射的强度，也可以改变其寿命。和吸收型光纤气体传感器相比，荧光行传感器使用波长（荧光波长）不同于激励波长。由于不同的荧光材料通常具有不同的荧光波长，因此荧光传感器对被测量的鉴别性好。实际上希望辐射波长和激励波长离开的越远越好，在输出端可用廉价的波长滤波器将激励光和传感光分开。通常激励波长在可见光或红外区，这一波段上光源技术成熟，几个也比较低廉。（4）燃料指示剂型光纤气体传感器
一些气体在石英光纤低耗窗口内没有较强的吸收峰，或者虽有吸收峰但相应波长的光源或检测器不存在或太昂贵，解决这些问题的方法之一是应用燃料指示剂作为中间物来实现间接传感。燃料与被测气体发生化学反应，使得燃料的光学性质发生变化，利用光纤传感器测量这种变化，就可以得到被测气体的浓度信息。最常见的燃料指示剂光纤气体传感器是pH值传感器，一些燃料指示剂的颜色会随着pH值得变化而变化，引起对光的吸收的变化。通过测量某些气体浓度变化带来的pH值变化，分析气体浓度信息。
图 2 1.3 光纤气体传感器的特点
由于光纤本身传输损耗和微型结构，光纤气敏传感器存在两个基本限制：一是光线的低损耗传输窗口的限制，石英光纤只在1.1~1.7um的近红外区有低损耗和低散射。若在中、远红外区进行探测会造成光信号较大的衰弱，致使光通过待测气体后的变化与气体的检测参数不成特定的关系。而多数气体在中、远红外光谱区存在较强的吸收光谱。另一限制是光纤本身的微型结构使得光纤只有较小的数值孔径，光耦合难以很高。但在短距离传输检测中，采用数值孔径较大的塑料光纤可提高光耦合，又不会产生较大的传输损耗。
尽管光纤气体传感纯在限制，但光纤气体传感器较传统的气体传感器仍具有很多优点：
（1）光纤气体传感器本质安全、抗电磁干扰、绝缘性能好，且耐高温、耐高压、防腐蚀、阻燃防爆，适用于远距离遥测和某些特殊环境的分析；（2）光纤传输损耗低，信息容量大，直径细，重量轻，光纤及探头均可微型化；
（3）测量范围宽，精度高，工作稳定，寿命长，成本低，可同时进行多参数或连续多点检测疑惑的大量信息；
（4）系统匹配性能好，容易实现检测及反馈控制的数字化、自动化和一体化；
（5）光纤探头对被测量场的影响小，灵敏度高，动态范围大，响应速度快；（6）光纤的生物兼容性好，加之良好的柔韧性和不带点的安全性，使之尤其适应于生物和临床医学上的实时、体内检测；
（7）在大多数情况先，光纤气体传感器不改变样品的组成，是非破坏性分析。
由于光纤气体闯爱情具有上述有点，尤其他的本质安全、抗电磁干扰的特点，是其他气体传感器无法比拟的。这使它可以安全方便地用于易燃易爆、强电磁干扰或其他恶劣环境中气体的检测。
产品调研
1、北京品傲光电科技有限公司 光纤传感器性能指标如图3：
图 3 系统设备及参数如图4：
图 4 光纤气体传感器课探测气体如图5：
图 5 产品实例图：
10,000 ppm= 1％ v / v（体积之比）价格：
35万左右。基恩士（香港）有限公司
目前产品只能测气体的有无，但工作温度能到达300度
2、深圳富凯士公司
只能测单一气体的话是有成品，但是要将混合气体的成分区分开来的话，我们还在实验室阶段，暂时没有成品提供。
3、北京蔚蓝仕没有相关光纤气体传感器。
浏览多家国外知名气体传感器厂家中国区主页，如英国City Technology；日本费加罗，欧姆龙（只能测物体数量）Nemoto；美国飞思卡尔，欧米伽；德国SENSOR等。未发现相关光纤气体传感器的产品。
长春光机所：期刊论文《用于石油测井和管道运输的分布式光纤传感技术》，阐述了我国分布式压力，温度光纤传感器在石油化工方面的应用情况。
发明专利《D形光纤消逝场化学传感器》，发明提出一种用于医疗、环境监控、食品安全等检测量的D形光纤消逝场化学传感器。《光纤生物传感器》，这是一种光纤生物传感器，用于测定环境中微生物的种类、含量等。《光纤液位传感器》，一种光纤液位传感器，包括有光源，探测器和传感头。安徽光机所： 王晓梅等《基于可调谐二极管激光吸收光谱的高精度痕量气体浓度定量方法》，分析了TDLAS谐波信号的特征，建立了谐波信号的数学模型，利用较高浓度气体的二次谐波信号作为曲线，对待测气体的谐波信号进行线性回归。
参考文献
光纤传感器检测技术 篇3
关键词：分布式光纤温度传感器；渗漏监测；进展
中图分类号： TP29 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）31-150-2
0 引言
随着社会的进步，科学技术得到了快速的发展，使得各种渗漏监测技术不断涌现。传统的点式监测技术由于无法实现整体性覆盖，在监测的过程中会出现很多盲区，不利于工程的安全进程，尤其是针对一些线路比较长、分布比较广的工程，如油、气管道和堤坝工程，一旦安全隐患增多，将会出现严重后果。在这类工程中，如果增加监测点，会增加很多额外的成本，同时施工难度也会加大。分布式光纤温度传感器的出现，很好地解决了这个难题。利用分布式光纤温度传感器，能够完全覆盖所要检测的对象。该传感器的传感部件和信号传输部件都属于功能性光纤，成本较低。在实际的工程过程中，分布式光纤传感器可以利用光时域技术对渗漏部分进行定位，并能够实现实时监测，而且，该技术施工简单，监测范围广，监测距离长，抗腐蚀、耐高温、抗高压、防雷击、抗电磁辐射能力都比较强，在渗漏监测领域得到了广泛应用。
1 分布式光纤温度传感器的工作原理
温度示踪原理是分布式光纤温度传感渗漏监测技术的基础。其基本工作原理是：渗漏的水流（或者油、气）在与土壤和地下光纤接触时，会出现热传递，在它们进行热量交换的过程中，使得渗漏部位与非渗漏部位的温度产生差异，尤其是渗漏水流（或者油、气）的流速越大，渗漏部位的温度变化就越大。此时，我们可以利用这种渗漏部位与非渗漏部位之间的温度差异实现渗漏监测，即利用温度场反馈渗流场。这种检测方法的前提是渗漏水流（或者油、气）与土壤存在较大的温度差异，如果温度差异不明显，我们可以对光纤进行加热，人为改变温度差异。这样一来，我们就可以将检测方法进一步分为梯度法和加热法两种方法。
1.1 梯度法
所谓梯度法，就是直接利用渗漏水流（或者油、气）与土壤之间的温度差异进行渗漏监测。首先对土壤温度场分布情况进行测量，然后对测量结果进行分析，如果发现土壤局部范围内温度变化比较大，可以利用光纤温度场进行分析，进而确定发生渗漏的部位。想要确定渗漏流速，就可以根据已有的温差和渗漏流速关系模型，对监测的温度场进行深度分析，从而确定渗漏的流速。利用梯度法进行渗漏监测时，必须加深光纤的埋置深度，否则光纤温度容易受到外界温度的影响，对监测结果影响较大。此外，渗漏水流（或者油、气）也要和土壤具有明显的温度梯度。因此，梯度监测方法受到季节变化的影响比较大，进而使得梯度监测法的使用范围受到了一定的限制。
1.2 加热法
加热监测法，顾名思义就是人为的对光纤进行加热，从而使渗漏水流（或者油、气）与光纤产生一定的温度差异。利用加热法进行监测时，需要在光纤周围并行设置特别的导体，测量之前需要首先将导体通电，提升光纤周围的温度，然后再进行光纤温度场的测量。如果存在渗漏点，该部位的温度会明显低于其他部位，这样就可以很容易的确定渗漏部位。与梯度法类似，我们也可以通过温度升高与渗漏流速的关系模型，对渗漏流速的大小进行确定。由于季节的变化不会对加热法造成影响，使得加热监测法比梯度监测法的应用范围更加广泛。
2 国内研究现状
当前，我国在分布式光纤温度传感渗漏监测技术方面的研究仍然处于定性监测阶段，也就是说，我们仅仅将其作为确定渗漏部位的一种技术手段，而利用该技术实现渗漏的量化监测，相关研究者仍在模拟和试验，而且该研究在理论方面主要包含理论推导和有限元模拟等内容。因此，对分布式光纤温度传感器技术仍需继续研究。
在理论分析方面，肖衡林等以多孔介质传热理论基本假定为基础，结合分布式光纤温度传感原理推导分析得出计算渗流流速的理论解，该理论解描述了渗流流速与多孔介质导热系数、孔隙率和外加热功率等因素的关系，目前该关系尚未得到验证；陈江等提出以多孔介质-热源-FBG的共轭传热数学模型理论为基础的热脉冲法，采用ADINA进行数值模拟，得出温升与渗流速度及加热功率的关系；陆艳梅等根据热传导方程及系统能量方程提出了大坝渗漏传热模型，并根据边界条件及初始条件推导出拉氏空间下以Bessel函数表示的无量纲解析解，同时结合工程实例验证了该模型的合理性；王新建等利用叠加原理推导出堤坝多渗漏通道温度场解析解，并利用BURSA-WOLF模型转化坐标，运用最优化方法迭代出堤坝集中渗漏通道位置的数值解，结合工程实例确定了渗漏通道的位置，证明了该方法的有效性；董海洲等利用热平衡理论及坝体周围土体温度变化与集中渗漏流速关系建立了数学物理模型，在层流和紊流2种不同流态下探讨了渗流流速的确定方法，并结合实例验证了其正确性。
3 发展趋势
分布式光纤温度传感器优势明显，例如成本低廉、耐高温、耐腐蚀、稳定性也较强，因此其在渗漏监测领域的发展前景良好。但是我国对分布式光纤温度传感渗漏监测技术的研究仍然处于初级阶段，还需要对其进行更加深入的研究。
3.1 实现定量监测
当前我国还没有实现利用分布式光纤温度传感器对渗漏量进行定量监测，只是在研究的过程中积累了部分实验数据和理论模型，不过因为地下土壤成分复杂，加上各种实验条件难以达成，在该方面的研究成果尚不能统一，仍需要进一步的研究确定。但是在我国《土石坝安全监测技术规范》中，有关土石坝的渗漏量监测方面的规定，对未来实现渗漏量的定量监测具有深刻意义。
3.2 考虑施工控制因素
3.2.1 压实度
压实度在实际工程中具有非常重要的作用，例如，在土石坝工程施工中，工程施工质量的主要指标中就包含土体的压实程度，并且在相关规范中对土壤的压实度也有明确规定。由此可见，要想将研究成果顺利应用到实际中，还需要对实际工程的施工内容进行深入分析。众多周知，土壤的压实度与土壤渗透性关系密切，在土壤相同的条件下，土壤压实度与土壤渗透系数属于反比例关系。从现有的研究成果看来，压实度对渗透性的影响还不够全面，需要在后续的研究中进行重点分析。
3.2.2 现场光纤网络布置方法
利用分布式光纤温度传感器进行渗漏监测的时候，需要在监测范围内按照一定的原则进行光纤网络布置，即光纤布置应该简洁、经济，最主要的是做到对检测范围的全覆盖。对于正在建设的工程，在布置光纤时，难免影响施工进度，而且施工和光纤布置同时进行也容易损坏光纤，埋设的传感器成活率无法保证；对于线路比较长的工程，比较适合选择加热监测法，但是需要保证对加热电线的网络设计不会对施工安全造成影响；对于已经建设好的工程，则应该注重布置光纤时的打孔尺寸，避免尺寸过大影响工程的安全性能。可见，在不同的工程中，进行光纤布置时需要区别对待，并做好经验积累。
3.3 其他辅助监测手段
在工程监测方面，还包含光纤光栅传感器、测压管等多种手段。当工程的检查项目比较多时，应当充分考虑各种监测手段的优劣势，取长补短，将多种监测手段充分结合在一起，确保监测结果更加准确、可靠。例如，在土石坝工程中，需要监测变形、渗流压力、孔隙水压力以及水位等多个指标，我们就可以利用分布式光纤温度传感器对渗流进行定位和定量监测，利用光纤光栅传感器和测压管对温度、应力和水压力进行监测。
4 结束语
综上所述，分布式光纤温度传感器以其覆盖面广泛、成本低廉、定位准确等优势，被广泛应用到管道工程、土石坝工程以及堤坝工程等多种工程中，但是对于该技术的研究仍然不够全面，需要相关技术人员共同努力，解决该技术尚不能达到的目标。
参 考 文 献
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[4] 邓翔文.基于分布式光纤温度传感技术的渗漏监测模型试验研究[D].湖北工业大学，2011.
光纤传感器检测技术 篇4
相位检测在光纤传感器中应用很广泛, 本文中提及的相位补偿系统是干涉型全光纤电压传感器的关键, 相位补偿通常利用零差检测法来实现。零差检测的主要问题是要求被检测的两相干光相位保持正交, 同时要求调制系统稳定, 能对大幅度信号漂移进行补偿[1]。
1 干涉型全光纤电压传感器的结构及原理
干涉型全光纤电压传感器的基本原理是基于石英晶体的逆压电效应, 当待测电压作用于圆柱形石英晶体上时, 圆柱形石英晶体的周长产生周期性变化, 因此绕在石英晶体上的双模光纤长度也产生周期性变化, 使光纤中传播的两个低阶模 (LP01基模和LPe11偶模) 的相位差发生变化, 导致两模间干涉模斑光强的变化[2], 通过测量干涉模斑光强变化就能测得待测电压的大小。
全光纤电压传感器的系统结构如图1所示, 它利用了两段椭圆芯双模光纤, 第一段椭圆芯双模传感光纤用来感知电场导致的压电形变, 第二段椭圆芯双模接收光纤用来跟踪LP01模和LPe11模之间的相位差变化。当多模激光二极管输出的光从单模光纤传到双模接收光纤时, 激励出LP01基模和LPe11偶模, 这两个模式在两段椭圆芯光纤中传输时均会产生相位差, 外加电压信号时它们的相位差都会发生变化。由于光敏探测器无法响应激光的高频率, 所以待测场所产生的相位调制不可能直接被探测到, 通常应先把相位调制转换为幅度调制, 通过探测光强的变化获得LP01模和LPe11模间相位差的变化。石英晶体的压电形变引起的两模间相位差的变化可表示为:
式中Δϕs为两低阶模的模间相位差;δ (Δϕs) 为双模传感光纤中两个低阶模间相位差的变化, 它正比于被测电场或电压, 因此只要测出δ (Δϕs) 的大小就可以得到被测电场或电压;Ex为沿x轴的电场强度;d11=2.31×10-12 m/V为石英晶体的压电系数;lc为圆柱形石英晶体的圆周长;N为绕在石英晶体上的光纤匝数;Δl2π为相移2π时光纤长度的改变。
2 相位跟踪原理及信号检测系统结构
信号检测系统结构如图2所示[4]。设I+和I-分别为接收光纤末端两个低阶模的两个干涉模斑的光强, 当待测电压信号发生变化时, 电压传感系统输出的干涉模斑光强为[3]:
式中Δϕs, Δϕr分别为未加电压信号时传感光纤和接收光纤中的准静态模间相位差;δ (Δϕs) 为外加电压信号后传感光纤产生的模间相位差变化;δ (Δϕr) 为外加电压信号后相位调制器 (通常采用PZT压电陶瓷管) 使接收光纤产生的模间相位差变化, 且δ (Δϕs) =Assin wt, 其中As为外加交流电压信号的幅值, As=2πNΔlc/Δl2π, Δlc为绕在石英晶体圆周上每圈光纤长度的变化, w为交流电压信号的频率;I0正比于激光光强;V (0) 为干涉条纹的零级可见度函数。
采用两个相同的光电二极管将接收的两个干涉模斑光强转换成电压信号:
式中
根据灵敏度的定义, 信号V2对于相位ϕ=Δϕs+δ (Δϕs) -Δϕr-δ (Δϕr) 的灵敏度为[5]:
可见, 当ϕ=π/2时, 灵敏度最大, 即由传感光纤和接收光纤得到的整体相位差保持90°偏置 (即正交运行) 时, 系统灵敏度最高。
将光电探测器输出的两路电信号送入差动放大器, 则输出信号为:
V3 (t) =KV[V1 (t) -V2 (t) ]=2k0KVV0cos[Δϕs+δ (Δϕs) -Δϕr-δ (Δϕr) ] (6)
式中KV为电压放大系数。
测量前, 将系统调零, 使V3 (t) =0, 此时由于未加待测电压信号, 故δ (Δϕs) =δ (Δϕr) =0, Δϕs-Δϕr=2mπ±π/2, 这说明系统的相位正好处于正交状态, 相位补偿系统的灵敏度达到最高, 满足零差相位检测的要求。当待测电压信号加到传感头上时, Δϕs变为Δϕs+δ (Δϕs) , 系统的正交状态被破坏, 即V3 (t) ≠0, 为使系统仍处于正交状态, 可采取主动零差相位跟踪来实现, 具体方法是在干涉仪光路中加入一个相位调制器 (通常采用PZT压电陶瓷管) , 使之产生动态的自适应补偿相移δ (Δϕr) , 使δ (Δϕr) =δ (Δϕs) , 从而将对信号相移δ (Δϕs) 的检测转换为对相位调制器补偿相移δ (Δϕr) 的检测。在进行相位跟踪的动态过程中, 由式 (6) 得到:
3 信号检测电路的实现
根据信号检测系统的结构, 设计了如图3所示的信号检测电路。在检测系统中, 光电探测器选用具有光电转换线性度好, 响应速度快, 温度系数小, 性能稳定等优点的PIN二极管;差动放大电路应具有高输入阻抗, 低输出阻抗, 共模抑制能力强, 输出温差漂移小和差模电压增益高等优点[6];低通滤波器采用二阶压控电压源低通滤波器, 其特点是输入阻抗高, 输出阻抗低, 幅频特性和滤波效果较一阶低通滤波电路好;积分放大电路通常采取一阶线性系统, 为了进一步改善系统的频率响应, 也可将一阶线性系统改成二阶线性系统[7];反馈放大电路采用反相比例放大电路, 其作用是将输出的信号反馈到输入端, 以此来实现信号的相位补偿, 从而达到相位跟踪的目的。
由图3可得:
式中
4 信号检测电路的仿真与实验结果
在实验中, 外加电压信号采用频率为50 Hz, 2.68 V的正弦电压, 利用仿真软件和实验得到的输出信号相当吻合, 输出信号与外加电压信号一样, 是50 Hz的正弦波, 只是信号幅度发生了变化, 这可以通过改变模型中的增益模块来调整, 总之, 仿真和实验结果说明此系统能跟踪输入的外加电压信号, 达到了信号相位跟踪检测的目的。
参考文献
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[6]康华光, 陈大钦.电子技术基础[M].北京:高等教育出版社, 2001.
光纤传感器的结构原理及分类 篇5
1、光纤的结构
基本采用石英玻璃，有不同掺杂，主要由三部分组成，如图1所示。
中心――纤芯;
外层――包层;
护套――尼龙料。
图1 光纤结构
2、光纤传感器的原理及分类
光纤的.传播基于光的全反射。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤，如图2所示。
图2 光纤工作原理图
原理分析：
(1) 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时，光线全部反射;
(2) 只要θ<θc，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。
为保证全反射，必须满足全反射条件(即θ<θc)实现全反射的临界入射角为：
可见，光纤临界入射角第一文库网的大小是由光纤本身的性质(N1、N2)决定的，与光纤的几何尺寸无关。
按光纤的作用，光纤传感器可分为功能型和传光型两种。
(1) 功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性随被测量发生变化的一种光纤传感器。例如，将光纤置于声场中，则光纤纤芯的折射率在声场作用下发生变化，将这种折射率的变化作为光纤中光的相位变化检测出来，就可以知道声场的强度。
(2) 功能型光纤传感器既起着传输光信号作用，又可作敏感元件，所以又称为传感型光纤传感器。传光型光纤传感器是利用其他敏感元件来感受被测量变化一种光纤传感器，传光型光纤传感器则仅起传输光信号作用，所以也称为非功能型光纤传感器。
3、光纤传感器的特点
光纤传感器具有以下一些特点：
1.不受电磁场的干扰
2.绝缘性能高
3.防爆性能好，耐腐蚀
4.导光性能好
波汇科技,光纤传感器专家 篇6
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。
光纤传感技术的应用现状 篇7
一、提高光纤传输效率的两个途径
(一) 40Gbit/s传输系统的发展、挑战与应用。
准同步传输体系 (P D H) 利用光纤的单一波长传输速率从8Mbit/s、4Mbit/s140bit/s, 同步传输体系 (SDH) 利用光纤的单一波长传输速率从155Mbit/s、622Mbit/s、2.5Gbit/s到10Gbit/s。从实际应用来看, 40Gbit/s传输系统必须采用外调制器, 目前具备足够输出电压能够驱动外调制器的驱动集成电路还不成熟;沿用多年的NRZ调制方式能否有效、可靠地工作于40Gbit/s系统还不确定, 可能需要转向性能更好的普通归零 (RZ) 码乃至调制效率更高的其他调制方式。除了技术因素外, 经济上是否
可行也是必须考虑的关键因素。尽管目前我国干线网络的波道利用率已经超过70%, 但是光纤利用率不到30%, SDH电路利用率不到50%, 因此只需在波分复用层面上扩容即可, 光缆网的总体容量依然有余, 并不需要立即全面升级到40Gbit/s速率。另需认真考虑的因素是光缆的极化模色散特性。对于短距离传输, 无须色散补偿、光放大器和外调制器, 40Gbit/s传输系统具有很低的单位比特成本, 上述问题不是障碍。因此, 40Gbit/s传输系统完全可以由短距离互连应用开始, 包括端局内路由器、交换机和传输设备间的互连, 乃至扩展至城域网范围和短距离长途应用。
(二) 粗波分复用系统 (CWDM) 技术的发展与应用。
随着技术和业务的发展, 利用光纤的多个波长进行复用就是WDM技术。目前, 160波系统已经成熟商用。它正从长途传输领域向城域网领域扩展, 作为进一步提高光纤传输效率的另一个主要途径。尽管城域WDM系统的建设成本明显低于长途网WDM系统, 但是目前的绝对成本仍然较高, 特别是需要使用光纤放大器的长距离应用成本较高。此外, 当前在网络边缘需要整个波长带宽的用户和应用毕竟很少, WDM多业务平台主要适用于核心层, 特别是扩容需求较大、距离较长的应用场合。为了进一步降低城域WDM多业务平台的成本, 出现了CWDM粗波分复用系统 (Coarse Wave Division Multiplexer) 。这种系统的典型波长组合有4、8和16三种, 波长通路间隔达20nm, 允许波长漂移±6.5nm, 大大降低了对激光器的要求, 成本也大为降低。此外, 由于CWDM系统对激光器的波长精度要求较低, 无需制冷器和波长锁定器, 不仅功耗低、尺寸小, 而且封装可以采用简单的同轴结构, 比传统碟型封装成本低, 激光器模块的总成本可以减少2/3。从滤波器角度看, 典型的100GHz间隔的介质薄膜滤波器需要150层镀膜, 而20nm间隔的CWDM滤波器只需要50层镀膜, 其成品率和成本都可以获得有效改善。
二、光纤通信在继电保护中的应用
继电保护装置信号的物理传输通道有光纤、微波、电力线载波等, 微波和电力线载波易受气候变化影响, 传输质量较差, 而光纤通道不怕超高压与电磁干扰, 传输容量大, 绝缘性能好, 衰耗低, 可靠性高, 在继电保护领域中得到了日益广泛的应用。
(一) 光纤通信来进行继电保护。
当被保护的线路长度较长时, 为了补偿光功率损耗, 把RCS-931系列光纤纵差保护装置的光信号传入MUX-2M继电保护信号数字复接接口装置, 再转化为电信号通过75Ω的同轴电缆连接通讯SDH设备的2048k bit/s口传到对侧, 如图1中的 (b) 。SDH环网采用的是155M以上速率的传输设备, 传输容量大, 具有强大的保护恢复能力。当被保护线路发生故障时, 装置根据对两侧电流的幅值和相位比较启动光纤纵联差动保护动作使两侧跳闸, 所有装置都处理后动作时间一般在30ms以内, 能够快速切除故障, 有效保护线路全长。
假设线路发生A相区内故障时, 本侧RCS-902C系列分相允许式纵联保护装置发出“A相允许跳闸”电信号开入到FOX-41A型继电保护光纤通信接口装置, FOX-41A内部把此电信号转为光信号传输到对侧的FOX-41A, 本侧与对侧之间光纤传输根据线路长度不同有两种传输方式。
对侧的FOX-41A光电转换后再把“A相允许跳闸”电信号开入到对侧的RCS-902C, 对侧的RCS-902C保护装置已判断是A相区内故障并收到对侧“A相允许跳闸”信号则保护动作跳对侧A相断路器。同理, 对侧发允许跳闸信号到本侧过程也是一样, B或C相故障也与A相故障分析过程一样。所有装置都处理后保护动作时间一般在30ms左右, 快速有效, 如图2所示。
当被保护线路本侧过电压保护跳闸并启动对侧断路器跳闸时, 可以把远跳信号通过FOX-41A传输到对侧;当被保护线路本侧保护跳闸但是断路器失灵没有跳开时, 为了避免故障发展扩大, 也可以把失灵信号通过FOX-41A传输到对侧启动对侧断路器跳闸, 如图3所示。
(二) 工程中实际应用问题。
1、通道故障检测。光纤纵差保护安全可靠, 在使用和运行当中主要是光纤通道的维护。如果光纤通道告警, 可以进行逐段自检来确认装置和通道是否正常, 另外需仔细观察与光电通道相关的告警指示灯和装置控制字, 还可以用光功率计测试光收发功率与光衰耗。部分厂家提供的SDH设备也可以实现实时的光功率在线检测, 为网络的维护提供了极大的便利性。2、光纤纵差保护旁路切换。目前通信速率一般是2048kbit/s, 也有少部分是64kbit/s, 这给光纤纵差保护的旁路代线路切换运行来了一定问题, 根据现在通信的发展情况, 通信速率可以都统一到2048kbit/s。与电力线载波高频保护的旁路代线路切换运行需要切换高频载波电缆通道一样, 光纤纵差保护的旁路代线路切换运行需要切换光纤通道。
三、光纤测温技术在变压器上的应用
使用光纤探头测量绕组温度时, 将其嵌入垫块或直接附在需要温度监测的导线上, 这种使用方式, 首先必须拆开局部导线绝缘, 并在安装光纤测温探头后再恢复导线绝缘。更普遍的方法是把光纤测温探头插入相邻线饼间的垫块中, 在辐向垫块上开槽, 将光纤测温探头粘在一起。这种方法能避免拆/包绝缘这种精密作业。由于垫块实际上阻止此位置的油循环, 所以此垫块处的温度梯度非常小, 光纤测温探头测得的是两个相邻线饼的平均温度。图4所示为3个在绕组中不同位置的光纤探头所测出的温度值对比, 从图4看出在垫块里测出的温度比在导线里测出的温度稍高。
在变压器制造过程中, 光纤探头的安装和放置特别值得注意, 一定要避免过度弯曲, 防止断裂。
四、结束语
综上所述, CWDM系统体积、功耗和成本远小于对应的DWDM器件, CWDM在我国城域网具有良好的发展前景。光纤通信在继电保护工程应用中其一系列装置已经在多个发电厂和变电站的超高压线路上使用, 相对于高频保护装置来说, 运行稳定可靠。另外光纤测温系统可直接测量绕组热点温度, 正逐渐成为监测临界参数的首选产品。
参考文献
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光纤传感器检测技术 篇8
长期暴露在大气环境中的绝缘子容易受到强电场、污秽、温湿度、机械应力等因素的综合作用而出现绝缘性能和机械性能下降现象, 造成瓷裙炸裂、钢帽爆炸、钢脚烧断等故障, 甚至发展为断串、掉线事故, 严重威胁电网安全与稳定[1,2]。针对绝缘子带电检测技术, 国内外专家学者进行了许多探索和研究, 总结了许多检测方法, 如:电压分布法、电晕脉冲电流法[3]、泄露电流法[4,5]、紫外、红外成像法[6—8]、超声波检测法[9]、电场法等等。其中, 电场法是通过测量绝缘子纵向电场分布情况来判断劣化绝缘子位置的, 相较于其他方法, 该检测方法具有简单直观、不易受外界环境影响等特点, 应用较为广泛。尤其是光纤电场传感器引入, 使得电场测量法简单可靠、减小了对被测电场的影响, 其工作原理是基于Pockels电光效应, 通过光纤耦合的方式进行信息传递来实现电场的测量。该传感器体积小、无饱和、绝缘性好、测量精度高, 适于高电压、强电场环境中测量。
本文首先阐述了基于光纤电场传感器绝缘子劣化绝缘子检测方法工作原理, 然后对检测装置的组成、测量方法进行了介绍, 最后在220 k V线路上对本检测装置进行了现场应用, 验证了其可行性和优势。
1 工作原理
1.1 电场法
在众多绝缘子检测方法中, 电场法的优势在于可以带电检测绝缘子的内绝缘缺陷, 对天气等外界条件要求较低, 因而被广泛研究和应用。绝缘子周围存在的电场可分解为横向分量和纵向分量, 其中电场纵向分量与绝缘子高低压电极连线平行, 正常状态下沿绝缘子轴向的变化曲线是光滑的, 一般呈U形分布规律, 所以是电场传感器的主要检测对象。当绝缘子存在缺陷时, 该处电场强度将降低, 分布曲线也不再光滑, 在相应的位置上有畸变[10,11]。因此, 测量绝缘子纵向电场分布可判断绝缘子是否存在内绝缘导通性故障。
1.2 Pockels效应
Pockels效应又称线性电光效应, 指折射率的变化与外加场强成正比 (如压电晶体) , 由德国晶体物理学家普克尔斯 (F.Pockels) 于1893年首先预期, 后来在石英等晶体得到证实。某些物质在电场中会产生感应双折射, 感应双折射的大小正比于电场强度。Pockels效应为线性效应, 只存在于某些不具有对称中心的晶体。Pockels效应可表达为
式 (1) 中δ为由Pockels效应引起的双折射造成的两正交偏振光束在晶体中传输的相位差, E为外加电场强度, k为晶体的电光系数, 取k=3×10-11m/V。
如图1所示, 当入射光沿晶体光轴入射, 先经过起偏器变成线偏振光, 再经1/4玻片变成圆偏振光, 通过电光晶体时在外加电场作用下, 发生双折射, 光的相位发生变化, 利用检偏器等光学元件将偏振光对应的相位变化转换为光强变化, 可以反映电场强度。
1.3 电场测量系统原理
基于光纤电场传感器的电场测量原理如图2所示, 光源发出激光耦合入单模光纤, 传感头内通过准直透镜将激光耦合到空间中, 用起偏器使其成为线偏振光, 再经过四分之一波片后分裂成圆偏振光, 在电场E作用下, 通过晶体后, 其偏振态不变, 但是相位发生了变化, 且和被测电场强度呈线性关系。用检偏器将两束相互垂直的偏振光提取同方向分量, 得到干涉光强。将出射光进行光电转换、滤波等信号处理, 把光强的变化变成电信号的变化, 反应被测电场的变化, 通过显示器显示出来。
2 系统组成
基于上述原理, 设计了基于光纤电场传感器的绝缘子带电检测装置, 该装置光电主机具有光电转换、激光驱动、信号采集与处理、数据分析、实时显示和与上位机相通讯等功能, 如图3、图4所示。
CPU是高性能单片机芯片, 对系统进行实时控制和信号运算以及模拟信号数字化操作;UART通讯模块主要功能是和上位机的RS232或者USB进行通信控制、电平转换和协议转换功能;按键处理电路模块用于把用户按下的按键信号进行接收和解码, 并将解码后的信号传送给CPU模块;液晶显示模块能显示实时数据, 提供功能菜单供用户选择, 并能够显示操作进度;V/I转换模块能够将CPU输出较为方便的驱动激光器电压信号转换为激光器可接收的电流信号, 该模块电路设计的线性化度决定了控制的精度和准确性;激光器驱动模块主要作用是将激光器驱动的电流信号接入激光器, 对激光器进行驱动;信号处理电路模块的作用是将光电转换的电压信号进行各种形式的滤波和信号放大处理, 使信号较适合进行数字转换;光电检测模块能够将光电探测器输出的微弱电流信号进行放大和I/V转换, 转换成幅度较合适的电压信号。
3 现场试验与分析
将本绝缘子检测装置运用到220 k V输电线路进行绝缘子检测, 测量示意图如图5所示。
图5中电场传感器置于绝缘杆上, 绝缘杆应满足带电作业相关技术要求, 传感器通过单模光纤与光电主机相连;作业人员手持绝缘操纵杆登塔, 逐片检测绝缘子场强分布, 并作记录。现场操作如图6所示:
本次试验选取了220 k V输电线路运行中的2串悬式合成绝缘子作为检测对象, 从横担侧至导线侧对绝缘子片依次编号:1, 2, 3, …, 22, 23, 场强数据记录如表1、表2所示。
从这两串复合绝缘子的电场强度分布对比可以看出, 第一串绝缘子的第17片伞裙电场强度在局部出现了明显下降。第一串绝缘子的高压端电场强度和低压端电场强度都相对于第二串绝缘子高一些。通过专业分析软件分析绘制了场强变化分布曲线, 更加直观地体现了场强分布情况, 如图7、图8所示。
从绝缘子串电压分布的规律来看, 第一串中间部位某绝缘子绝缘性能下降, 承担电压下降, 导致两端承担电压自然升高, 场强变化规律与绝缘子分布电压一致的。复测两次, 读数几乎相同, 可以排除测量时操作带来的误差影响。
第二串绝缘子表面电场强度分布非常光滑, 呈U型分布, 可以判断该绝缘子没有出现导通性缺陷, 第一串绝缘子的第17片伞裙处有较大可能出现了导通性绝缘缺陷。
4 总结
本文介绍了一种基于光纤电场传感器的输电线路绝缘子带电检测装置, 其核心是利用光学电场传感器。测量绝缘子场强分布时, 高压侧采用绝缘性能好的电光晶体作为传感元件, 通过绝缘强度极高的光纤作为信号传输通道, 大大简化了检测装置结构, 同时没有铁心和线圈, 不存在磁饱和、铁磁谐振等问题, 消除了磁饱和及铁磁谐振现象而使互感器运行的暂态响应好, 稳定性高, 抗干扰能力强, 保证了系统运行的高可靠性。运用本装置在220 k V输电线路上带电检测复合绝缘子, 能快速准确地检测出劣化绝缘子, 验证了本装置的可行性及优势。
摘要：绝缘子带电检测是线路运行维护中的重要工作之一。提出了一种基于光纤电场传感器的绝缘子检测方法;并研究了相应的检测装置。运用该检测装置, 首先测量绝缘子表面纵向场强, 绘制场强分布曲线;然后, 根据电场法并利用曲线分布规律检测出劣化绝缘子。现场试验与分析表明, 该装置具有频率响应宽、绝缘性好、测量精度高等特点。
关键词：绝缘子,带电检测,光纤电场传感器,分布曲线
参考文献
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光纤传感器检测技术 篇9
1 机械设备检测中的光纤传感器分析
机械设备运行中, 能够传输出有特征的光波, 此类光波参量, 可以做为评估机械设备的一项因素, 正常的传感检测中, 光波参数很容易发生变化, 无法获取准确的参量数据。光纤传感器正好利用光波参量变化的特点, 通过研究光纤参量的变化方式, 掌握机械设备的运行状态, 通过机械设备自身传达的参量信息, 协调机械设备的运行, 体现出光纤传感器的检测优势, 表明光纤传感器的实践应用。
2 光纤传感器在机械设备检测中的应用
2.1 检测力学参数
力学参数的检测, 是光纤传感器检测机械设备参数的最初应用。光纤传感器在力学参数方面的检测, 常见于桥梁检测、钻井检测等方面, 同时扩展到动力机组设备检测中。例举光纤传感器在机械设备检测中的运用, 如: (1) 桥梁检测, 将光纤传感器安置在桥梁的表层, 或者也可根据实际情况, 深埋在内部结构中, 检测桥梁构建的力学变化, 得出桥梁工程是否存在位移、裂缝的问题, 桥梁工程的缺陷, 主要通过力学参数反馈, 能够及时预防桥梁事故; (2) 钻井, 光纤传感器在石油钻井中, 能够监测内部油藏的压力, 光纤传感器不会面临安装的难度, 而且能够提供实时的油藏压力, 真实的反应出机械设备的力学参数。光纤传感器, 在不同的机械设备中, 都可提供准确的力学检测, 辅助检测设备的力学变化, 得出设备的运行状态。
2.2 检测电磁参数
光纤传感器的优势明显, 特别是机械性能, 具备抗干扰、高稳定的优势。光纤传感器在机械设备的电磁参数检测中, 仅仅检测电磁参数, 不会影响机械设备的性能, 及时在恶劣的环境条件下, 光纤传感器也能准确的检测机械设备的电磁参数。光纤传感器, 可以检测高达上千安的电流, 测量过程中, 始终保持准确的测量精度。目前, 光纤传感器中, 组合了温度传感器, 共同用于电磁参数的检测, 积极应用到机械设备的自检项目内, 例如:发电厂智能电站的机械设备, 采用光纤传感器与温度传感器相结合的方式, 全面检测智能电站的机械设备, 而且提供实时监测的条件, 重点监督设备的电磁参数, 通过检测电磁参数, 及时处理智能设备的异常问题, 保护发电设备的稳定运行, 以免引起较大的安全事故, 表明光纤传感器在电磁参数检测中的作用。
2.3 检测设备温度
温度, 是机械设备检测的一项重点因素, 如果机械设备长期处在高温作业的环境下, 即会出现带病作业、设备损坏的情况。光纤传感器的便捷性、高强度优势, 恰好可以应用在设备的温度检测中。光纤传感器, 能够实时检测温度, 而且灵敏性高, 即使出现细微的温度变化, 光纤传感器也能快速的检测到。常用的光纤传感器有: FBG、荧光传感器, 都是用于机械设备的温度检测, 在光纤传感器中配置高温探头, 机械设备的最高检测温度, 高达1000℃, 表明光纤传感器能够在极端高温的条件下, 检测机械设备的性能状态。近几年, 光纤传感器在机械设备温度检测中, 逐步应用到核反应堆方面, 目的是加强核反应堆中所使用机械设备的控制力度, 实现有效的反应监控, 构建自动化的温度监控体系。
2.4 无损检测技术
机械设备朝向复杂化的方向进展, 再加上机械设备的大规模影响, 机械设备本身可能潜在质量或安全隐患, 但是仍旧可以正常的运行, 所以此类隐患是很难被发现的。基于光纤传感器的无损检测技术, 专门用于监测机械设备的运行, 发现机械设备中的各类隐患, 预防隐患扩大, 避免影响机械设备的正常运行状态。光纤传感器逐渐成为无损检测技术的核心, 提高了机械设备无损检测的专业性。
3 结束语
光纤传感器是机械设备检测的关键, 为机械设备, 提供了高质量、高性能的检测方法, 体现出光纤传感器的优势。机械设备检测中, 逐步意识到光纤传感器的实践价值, 注重光纤传感器的实时性, 改善了机械设备的检测优势。
摘要：机械设备检测中, 比较常用的设备是光纤传感器。光纤传感, 是比较先进的技术, 本身应用范围较广, 逐步应用到机械设备的检测中。光纤传感器的应用, 满足了机械设备检测的需求, 体现出明显的优势。本文通过对光纤传感器进行研究, 分析其在机械设备检测中的应用。
关键词：机械设备,检测,光纤传感器
参考文献
[1]孙大永.分析光纤传感器在机械设备检测中的运用[J].黑龙江科技信息, 2015, 24:99.
[2]韩连英, 王晓红.光纤传感器在机械设备检测中的应用[J].光机电信息, 2010, 03:51-55.
光纤光栅传感技术研究及应用 篇10
1 光纤光栅基本原理
光纤光栅有很多种类,目前,主要研究的有3种类型:一是FBG光栅又称短周期光栅,主要利用它的背向反射特征制作传感器;二是LPFG光栅又称长周期光栅,主要利用它的同向透射特征制作传感器;三是chirp光栅又称啁啾光栅,主要利用它的色散补偿特征制作光纤传感和光源的器件。光纤光栅分为周期性和非周期性的、长周期和短周期的、色散补偿型光栅和滤波型的。文中主要介绍的是FBG光栅,并对LPFG光栅进行简单介绍。
1.1 光纤布拉格光栅(FBG)原理
布拉格光纤光栅(简称FBG光栅)的制作方法很多,最早是1978年,加拿大渥太华通讯研究中心的K.O.Hill等人首次在参锗石英光纤中发现光纤的光敏效应,采用逐波写入法制成世界上第一只光纤光栅[1]。在石英光纤上写入光栅,使之在光纤上形成周期性的光栅,通常周期小于0.5μm,称为布拉格光纤光栅,见图1。
布拉格光纤光栅波长λB计算公式为
式中,λB为光栅波长,n为有效折射率,Λ为光栅周期。
当光纤光栅受到轴向应力或者自身温度发生变化以及其他因素影响,会引起光栅的周期Λ或纤芯折射率n发生变化,从而造成λB反射光波长发生变化。在光纤光栅受到轴向应力或者自身温度发生变化前、后,检测其反射光波长λB的变化,就可以计算出光纤光栅受到轴向应力或者自身温度发生变化数值。布拉格光纤光栅主要研究是温度、应变和应力的检测[1]。
温度和轴向应力发生变化,会导致的光栅中心波长λB发生变化。表达式为
式中,ε为应变,P[i,j]为光压系数,v为泊松比,α为热胀系数,△T为温度变化量。
由式(2)可知,若温度和轴向应力任何一项发生变化,会导致的光栅中心波长λB发生变化。所以,必须对测量数据进行特殊计算和对传感器设计进行特殊技术处理,才能实现应变、应力和温度的精确测量。
1.2 长周期光纤光栅(LPFG)
长周期光纤光栅(LPFG)是相对FBG光纤光栅而言的,它比FBG光纤光栅的周期长很多,其周期可从几十微米到几百微米。它与FBG光纤光栅的工作原理不同,主要检测其透射波长的变化。它的数学模型比较复杂,是以空气为外包层的三层阶跃耦合结构,主要是基模与同向包层模之间的耦合,它的损耗峰较宽,有宽阻带滤波特性。具有后向反射率低、带宽宽等特性,它对应力、温度、外部折射率变化都有响应,而且对应力、温度变化的响应灵敏度比FBG光纤光栅高得多,对横向应力也有反应,是现在光纤光栅传感器的研究重点,利用其特点可研制出温度、振动、加速度、磁场、液体、气体等传感器,应用前景广泛。
2 光纤光栅传感系统
光纤光栅具有与传统电类传感器不可比拟的优点,具有分布式特点,可在1根光纤上连接多个光纤光栅传感器,分布式光纤光栅传感系统可以实现分布式多点准确定位、实时测量。所以,在对光纤光栅传感器进行进一步研究之外,还对光纤光栅传感系统的分布形式进行研究。分布式光纤光栅传感系统是在1根光纤上串接、并接多个光纤光栅传感器,每个光纤光栅传感器的工作波长必须不同,并且有一定间隔,不能重叠。
分布式光纤光栅传感系统又称准分布式光纤传感系统,可以实现多通道分布式实时监测。
光纤光栅传感系统主要由ASE宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调系统等组成。工作原理为:ASE宽带光源的宽带光经过耦合器进入光纤光栅传感器,光纤光栅传感器的反射波再经过耦合器,进入可调谐滤波解调系统,可调谐滤波解调系统对所有光纤光栅传感器反射波进行解调、计算、处理,得出每个光纤光栅传感器中心波长的变化数值,进而确定了空间分布的每个光纤光栅传感器的实际数据,在计算机屏幕上显示,见图2。
3 常见光纤光栅传感器
光纤光栅传感器的研究主要集中在温度和应力多参数的准分布式测量上。温度和应力可分别制成2个光纤光栅传感器,分别对温度和应力参数进行测量,也可制成一个光纤光栅传感器对温度和应力参数进行同时测量。实现应变和温度参数同时测量的方案很多,但是从原理上分析,基本都是基于双波长矩阵法、双参量矩阵法、温度参考光栅法、温度(应力)补偿法和光强测温法等几种技术[2]。
3.1 光纤光栅温度传感器
光纤光栅温度传感器用来测量温度在(-30℃~+150℃)范围内的发热物体,可适用于各种测温场合,分辨率可以达到0.1℃,见图3;可应用于船舶、电力、核电站、水利、航空航天、煤矿、医学、消防等领域。具有本征安全、抗电磁干扰、精度高、分辨率高、可靠性高等优点。
3.2 光纤光栅应变传感器
该产品可以根据实际工程需要制作成任意标距,适合大应变的较大范围监测,可埋设在水工建筑物或其他混凝土建筑物内,如基础、桩、桥梁、隧道、衬砌等以便长期观测结构内部的应变量变化,也可用于病害工程凿孔(槽)埋入混凝土中观测病害的发展情况,见图4。该传感器的主要性能指标:量程根据需要可大于5 000με;测试精度(2~3)με;重复性误差小于0.6%;线性度误差小于0.9%。
3.3 光纤光栅钢筋计
光纤光栅钢筋计可测量基础、泥浆墙、预制桩、船坞、闸门、隧道衬砌等内部应力,可长期埋设在水工建筑物或其他混凝土建筑物内,测量结构内部的钢筋应力,也可测量锚杆的应力,见图5。具有精度高、测试准确、性能稳定、布设方便、串联成网、便于长期监测等优点。最大拉应力:200MPa;最大压应力:100 MPa;分辨率:≤0.1%;精度<1%;使用温度范围:(-30℃~+70℃)。
3.4 光纤光栅渗压计
光纤光栅渗压计可埋设在水工建筑物、基岩内,或安装在测压管、钻孔、堤坝、管道和压力容器内,测量孔隙水压力或水位,见图6。压力范围:1~15 MPa;分辨率:≤0.05%;精度:<1%;使用温度范围:-30℃~+80℃。
3.5 光纤光栅加速度计
光纤光栅加速度计用于铁道桥高层建筑、钢结构等土木结构的振动检测/监测,见图7。量程:1~2 g;分辨率:≤0.1%;精度:<1%;使用温度范围:-30℃~+70℃。
另外,光纤光栅压力传感器可根据需要,制作成各种各样结构,来适合不同的用途。例如:光纤光栅智能地秤、光纤光栅智能锚头、光纤光栅智能拉索等。
4 光纤光栅的应用
光纤光栅传感具有传输距离远,不受电磁环境干扰,不产生电磁干扰,本质安全,不对易燃气体构成危险的特点,从而可在多领域中进行应用。一是在大型工程建设中,实现安全性能监测。如在桥梁中预埋光纤光栅传感器可实现温度、应力、形变等多参数监测。也可用于隧道顶板的岩石变形、压力变化、相对位移、层间压力的测量。二是可应用于地质活动监测。在地震与火山活动研究中可使用光纤光栅传感器测量岩石变形和震动,由于光纤光栅的无源特性,同时由于其传输距离远,较其他方法相比更有优势。三是在海陆空大型交通装置上进行温度、应力、振动及水位、油位的监测,保障设备安全,由于其测量过程中无电磁特点,既不会对其他系统构成干扰,也不会产生电磁泄露暴露目标,可应用于飞机、舰艇、火车、大型货车和大型客车中。四是在医疗领域中应用超小型光纤光栅传感器测量腹腔,关节,颅内的应力为医生诊断提供信息。同时由于光纤的非电磁特性,可与CT、核磁等检测手段同时进行[3]。
虽然光纤光栅传感技术有很好的应用前景,但要想实现其产业化,还需要解决若干问题。一是应用成本,光纤光栅传感技术的应用成本主要取决于传感信号解调成本。有限的几种实用解调手段其关键器件多数需要从国外进口,成本较高。二是还存在一些技术瓶颈需要突破,如光源带宽限制了单个通道可部署的光栅传感器数量;对双组分结构体测量多轴向的应变的测量;多通道测量中的时间与精度的提高;环境温度对应变、应力测量造成的误差消除等。
5 结束语
光纤光栅传感技术的优势正被工业界逐步重视,随着研究力量的投入,其技术水平也日益成熟,使其产业应用成为可能。不过,若干关键技术还处在实验阶段,尚不能大批量生产,离实用化还存在距离。
参考文献
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光纤传感器检测技术 篇11
【关键词】光纤光栅传感器 关键技术 应用探索
光纤光栅是一种新型的光子器件，它在光纤中建立起的一种空间周期性的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。
光纤光栅的研究与发展归功于1978年加拿大的Hill等人在实验室中制作的世界上第一根光纤光栅，以及1989年美国的Meltz等人发明的紫外侧写入技术。随后，1993年Hill与Lemaire分别提出相位掩模成栅技术和低温高压载氢技术。这两项技术相结合极大地降低了光纤光栅的制作成本，从而在世界各地掀起了基于光纤光栅应用研究的热潮。
1.光纤光栅应变传感模型分析的前提假设
外界应力的改变会引起光纤Bragg光栅波长的移位。从物理本质来看，引起波长移位的原因主要包括三个方面：光纤弹性形变、光纤弹光效应及光纤内部引起的波导效应。为了能得到光纤光栅传感器更详细的数学模型，对所研究的光纤光栅做以下假设：
作为传感元，光纤光栅的结构仅包含纤芯和包层两层，忽略所有外包层的影响。从光纤光栅的制作工艺可知，要进行紫外曝光，必须去除光纤外包层，以消除它对紫外光的吸收作用，所以直接获得的光纤光栅本身就处于裸纤状态；其次，对裸纤结构的分析更直接地反映了公式本身的传感特性，而不至于被其他因素所干扰。
由石英材料制成的光纤光栅在所研究的应力范围内为一理想弹性体，遵循Hooke定理，且内部不存在切应变。只要不接近光纤本身的断裂极限，该假设是成立的。
紫外光引起的光敏折射率变化在光纤截面上均匀分布，且这种光致折变不影响光纤自身各向同性的特性，即光纤光栅区仍满足弹性常数多重简并的特点。
所有应力问题均为静应力，不考虑应力随时间变化的的情况。
根据以上假设，可以得出单纯光纤光栅的应变传感的数学模型。
2.光纤光栅温度传感器模型分析的前提假设
外界温度改变同样会引起光纤光栅Bragg波长的移位。从物理本质看，引起波长移位的原因主要有三个方面：光纤热膨胀效应、光纤热光效应及光纤内部热应力引起的弹光效应。为了能够得到光纤光栅温度传感器更详细的数学模型，对研究的光纤光栅做一下假设：
（1）仅研究光纤自身各种热效应，忽略外包层及被层物体由于热效应而引发的其他物理过程。很自然，热效应与材料本身密切相关，不同的外包层（如弹性塑料包层、金属包层等）不同的被测物体经历同样的温度变化将对光栅产生不同的影响。
（2）仅考虑光纤的线性热膨胀区，忽略温度对热膨胀系数的影响。由于石英材料的软化点在2700℃左右，所以在常温范围内完全可以忽略温度对热膨胀系数的影响，认为热膨胀系数在测量范围内始终保持为常数。
（3）在1.3～1.5μm的波长范围，认为热光效应在研究的温度范围内保持一致，也即光纤折射率温度系数保持为常数。
（4）仅研究温度均匀分布情况，忽略光纤光栅不同位置之间的温度效应。因为一般光纤光栅的尺寸仅为10mm左右，所以认为它处于一均匀温场并不会引起较显著的误差，这样就可以忽略由于光栅不同位置之间的温差而产生的热应力的影响。
基于以上几点假设，可以得出单纯光纤光栅的温度传感模型。
3.光纤光栅温度传感器的仿真
设计一种光纤光栅温度传感系统：
温度范围为-20℃～80℃；
测量精度为±1℃；
光栅中心波长为1525～1565nm。
对于熔融石英光纤，其热光系数 ，线性热膨胀系数 。忽略波导效应，将 ， 代入式，可得中心波长分别为1331nm、1500nm、1550nm的裸光纤光栅的相对波长移位与温度变化的对应关系。可以看出，裸光纤Bragg光栅测量温度的线性度比较好，中心波长越长，灵敏度相对越好，测量也就越精确。但是总的来说，裸光纤Bragg光栅的灵敏度还是比较低的，所以实际运用中比较常用的改进方法就是将光纤光栅粘贴在温度灵敏度比较大的基底材料上，或者采用带有机械结构的光纤光栅温度传感器进一步提高灵敏度，达到更好的效果。
宽带光源发出的光经3dB耦合器进入传感FBG。由FBG反射后形成窄带光谱，通过线性滤波器得到两路出射光功率与波长有关的光信号。光电探测器PIN将其转换为电信号，进入信号采集处理电路提取有用信号，并由单片机控制系统实现数据采集与数据处理。
解调系统利用线性滤波的光波透过率变化特性来鉴别光波长。在线性滤波器的工作范围内，每一个波长对应一个透过率，因此检测透过率便可以反推出波长信息。因此，通过测量两路透射光功率的比值P1/P2，即可获得波长信息Δλ。同时利用双光路探测来消除光源功率波动和温度变化的影响，用信号采集处理电路和微控制器运算的精度将直接影响解调系统的检测精度。
结论
光纤光栅传感已被国内外公认为是最具有发展前途的高新技术之一，它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。通过MATLAB进行仿真实验，进一步验证了光纤Bragg光栅传感的特点。最后根据实际需要，设计了一种剪刀型机械结构与线性滤波解调相结合的灵敏度显著提高的光纤光栅温度传感器系统。本文通过对基于光纤光栅的光传感器的研究，基本完成了其研究目的。
【参考文献】
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光纤传感器检测技术 篇12
1 材料与方法
1.1 试剂及仪器
丙酮、冰醋酸、30%的氢氟酸、30%过氧化氢、95%乙醇、50%戊二醛购自国药集团化学试剂有限公司;盐酸、硫酸购自北京兴青红精细化学品科技有限公司;(3-氨丙基)三乙氧基硅烷(APTS)、牛血清白蛋白(BSA)购自Sigma公司;氨水购自西陇化工股份有限公司;硫酸-重铬酸钾洗液、光纤探头为实验室自制;超声波清洗器购自昆山市超声仪器有限公司;电热鼓风干燥箱购自重庆万达仪器有限公司。
1.2 抗体与细菌
兔IgG(拜尔迪生物科技有限公司),抗兔IgG·Cy3(abcam),鼠抗军团单抗(meridian),大肠埃希菌O157(分离株),兔抗军团多抗(abcam),Cy3试剂盒(GE Healthcare);嗜肺军团菌(分离株),伤寒沙门菌(50097),痢疾志贺菌(分离株),结核分枝杆菌(标准株HRv37),小肠结肠炎耶尔森菌(分离株),霍乱弧菌O139(标准株),金黄色葡萄球菌(ATCC25923),上述所有细菌均由浙江省疾病预防控制中心提供。
1.3 方法
1.3.1 光纤探头的制备与修饰
1.3.1. 1 光纤探头的制备
先将光纤截成10 cm长并把两端磨平,再用手术刀将光纤从一端削去6.5 cm长包层,然后将削去包层的一端浸入30%的氢氟酸中腐蚀2～3 h直至被腐蚀部分的直径为(225±5)μm,保证光纤探头锥形部分的长度约为0.5 cm,最后将剩余的包层削去备用。
1.3.1. 2 光纤探头的修饰
光纤作为生物传感器中的敏感元件,它修饰效果的好坏直接关系着实验结果的成败,本实验室比较了两种光纤修饰方法。方法1[3]:(1)光纤的清洗:将探头放入piraha溶液(浓H2SO4∶H2O2=3∶1)浸泡30 min,用超纯水进行充分清洗后,置于105℃干燥箱中干燥5 h;(2)氨基化修饰:将洁净的探头放入含2%的APTS丙酮溶液中反应1 h,先用丙酮清洗3次,再用超纯水充分清洗近中性;(3)醛基化修饰:将光纤放入5.0%(V/V)的戊二醛PBS溶液中,在37℃反应1 h后,用超纯水冲洗3次备用。方法2[4]:(1)光纤的清洗:将探头放入piraha溶液(浓H2SO4∶H2O2=3∶1)浸泡30 min,用超纯水进行充分清洗后,再置于105℃干燥箱中干燥5 h;(2)氨基化修饰:将光纤放入含1%APTS的乙醇溶液在室温反应25 min;再分别用乙醇和去离子水各超声清洗5 min,最后将清洗过的光纤置于115℃烘箱中干燥60 min;(3)醛基化修饰:将光纤放入10%的戊二醛水溶液中室温反应40 min;用去离子水超声清洗3次,每次5 min,最后将光纤室温干燥备用。
1.3.2 光纤的包被与检测
将修饰好的光纤浸入含一定浓度的抗原(或抗体)的PBS溶液中于4℃包被过夜,然后用2 mg/mL的BSA封闭光纤1 h减少非特异吸附。将封闭好的光纤装入反应池内,先用PBS-T(含0.05%Tween-20)冲洗50 s,然后通过蠕动泵加入待检测物质反应6～10 min;再用PBS-T冲洗50 s,最后通过蠕动泵加入荧光探针反应6～10 min,通过传感器中理化换能元件可以将免疫复合物的荧光信号转换成电信号的原理,从而实现样品的定性或定量检测。
1.3.3 嗜肺军团菌的检测
先按照Cy3试剂盒的说明书对兔抗军团多抗进行Cy3标记,然后用透析的方法除去多余的Cy3,备用。包被好0.05 mg/mL鼠抗军团单抗的光纤插入反应池中,然后用PBS-T(含0.05%Tween-20)冲洗50 s,最后加入嗜肺军团菌和兔抗军团多抗·Cy3的混合液反应10 min,并记录实验结果。通过对梯度稀释的嗜肺军团菌进行检测,从而对其灵敏度进行评价。以伤寒沙门菌、大肠杆菌、结核杆菌、小肠结肠炎耶尔森菌、霍乱弧菌、金黄色葡萄球菌、痢疾志贺菌进行特异性检测。所有实验均重复3次以上,取结果的平均值。
2 结果
2.1 光纤修饰效果的比较
以采样时间(s)为横坐标,以信号值(MV)为纵坐标作图。结果如图1所示,用方法2修饰的光纤的信号值明显高于方法1,表明第2种方法比第1种方法修饰的光纤共价结合能力强。
2.2 包被液的优化
本研究比较了0.01 mol/L pH 5.0的醋酸盐溶液、0.01 mol/L pH 8.0的Tris-HCl溶液、0.01 mol/L pH 9.6的碳酸盐溶液3种缓冲液的包被效果。结果如图2所示,0.01 mol/L pH 8.0的TrisHCl溶液作为包被缓冲液时,信号值最强,包被效果最好。
2.3 包被液离子强度的优化
本研究比较了0.01、0.02、0.05和0.1 mol/L 4种离子强度的Tris-HCl溶液的包被效果。结果如图3所示,Tris-HCl溶液的离子强度为0.01 mol/L时信号值最高,包被效果最好。
2.4 嗜肺军团菌检测方法的建立
本实验比较了两种反应模式,第1种反应模式:先用鼠抗军团单抗包被光纤,再加入待测的嗜肺军团菌,然后加入兔抗军团多抗,最后加入荧光探针抗兔IgG·Cy3;第2种反应模式:先用鼠抗军团单抗包被光纤,然后加入待测的嗜肺军团菌,最后加入兔抗军团多抗·Cy3。结果如图4所示,直接用兔抗军团多抗·Cy3作为荧光探针时,信号值最高,实验效果最好。因此,本研究最后确立,以双抗体夹心的反应模式对嗜肺军团菌进行检测,即以鼠抗军团单抗和兔抗军团多抗·Cy3分别作为捕获抗体和检测探针。
2.5 嗜肺军团菌方法的特异性评价
将浓度为1×107 cfu/mL的伤寒沙门菌、大肠杆菌、结核杆菌、小肠结肠炎耶尔森菌、霍乱弧菌、金黄色葡萄球菌、痢疾志贺菌均稀释到1×105 cfu/mL并进行特异性实验。结果如图5所示,用光纤生物传感器对嗜肺军团菌进行检测时,其与伤寒沙门菌、大肠杆菌、结核杆菌、小肠结肠炎耶尔森氏菌、霍乱弧菌、金黄色葡萄球菌、痢疾志贺菌不存在交叉反应,特异性良好。
2.6 检测嗜肺军团菌方法的灵敏度评价
以10倍梯度稀释浓度为3×102～3×105 cfu/mL的嗜肺军团菌为模板进行检测,从而对其灵敏度进行评价。结果判断:当信号值大于上述6种细菌和空白对照的+3SD(78 MV)时,检测结果判为阳性;反之则判为阴性。结果如图6所示,嗜肺军团菌最低可检测到3×104 cfu/mL。
2.7 检测嗜肺军团菌方法的重复性评价
用同一批次和不同批次修饰的光纤包被鼠抗军团单抗,对嗜肺军团菌以及伤寒沙门菌、大肠杆菌、小肠耶尔森菌等6种细菌进行多次实验。结果发现,嗜肺军团菌的检测结果均为阳性且随着菌浓度的降低,信号值也呈现明显的梯度关系;同时其对伤寒沙门菌、大肠杆菌、小肠结肠炎耶尔森菌、痢疾志贺菌、金黄色葡萄球菌、结核杆菌、霍乱弧菌的检测结果均为阴性。见表1、2。
3 讨论
光纤生物传感器由激光器、生物样品检测部分和信号转换装置三部分组成,由于其具有检测速度快、灵敏度高、生物特异性强、成本相对低、操作简单等优点,近年来逐渐成为研究的热点并被越来越多地用于微生物、环境监测、医学等方面[5,6,7]。研究发现,光纤的制备与修饰效果直接影响着实验结果,光纤探针纤芯直径的大小直接影响着包被效果和实验的重复性,同时光纤探针的锥形的长度及锥度等直接影响着倏逝波的透射深度。因此,需要建立标准化的操作方法来保证光纤修饰效果的一致性。本研究发现,将嗜肺军团菌与兔抗军团多抗·Cy3以一定的比例进行混合可以大大提高检测的灵敏度,反应链的延长会显著地降低实验的灵敏度。
近年来,光纤生物传感器从传感器中异军突起并显示了其特有的优势,它未来的发展趋势主要体现在以下几个方面:第一,由于纳米材料具有体表面积比大,表面活性高,对生物大分子吸附作用强,传导性好等优点,它被更多地应用在传感器中作为固定的材料;第二,由于计算机、物理化学等学科的融入,光纤生物传感器向小型化、智能化方向发展;第三,逐渐向产业化、商品化方向发展。随着这些研究的深入,光纤生物传感器有望成为一种嗜肺军团菌实时、在线和现场检测的技术手段。
参考文献
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