光纤传感器的应用docx

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  /************************************************/介 绍 光 纤 近 /************************************************/ 介 绍 光 纤 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 。 优 点 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 ； 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 。 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 ； 应用场景范围：光纤传感器应用领域十分普遍，涉及石油化学工业、电力、医学、土木工程等诸多 领域。 /***************************应用（正题）*****************************/ 4.1 光纤传感器在石油化学工业系统的应用 在 石 油 化 工 系统 中， 由 于 井下 环 境 具 有高 温 、 高 压、 化学 腐蚀 以及 电 磁 干 扰 强 等 特 点 ， 使 得常 规传 感器 难 以 在 井 下 很好 地发 挥作 用。 然 而 光 纤 本 身 不 带电 ， 体 小 质 轻 ， 易 弯 曲 ，抗 电磁 干扰 、 抗 辐 射 性 能好 。特 别适 合于 易 燃 易 爆 、 空 间 受严 格 限 制 及 强 电 磁 干 扰 等恶 劣环 境下 使 用 。 4.1.1 光纤传感器在油气勘探 [4] 中的应用 应用光纤传感器能制成井下分光计，分布式温度传感器及光纤压力传感器等适用于 这种特殊作业要求的产品。 (1) 井下分光计 它由两个传感器合成：一个是吸收光谱分光纤，另一个是荧光和气体探测器。井下流 体通过地层探针被引入出油管，光学传感器用于分析出油管内的流体。流体分析分光计则 提供了原位井下流体分析，并对地层流体的评估加以改进。 (2) 分布式温度传感器 光纤分布式温度传感器是井下应用最为流行的光纤传感器。应用实例是监测注水蒸气 重油开采系统。蒸汽被注入重油层用以降低油的黏度，使稠油能够开采出来。井下蒸汽温 度可高达 250℃ 以上。 [5] [5] 图 1 流体分析仪构造 (3) 压力传感器 侧孔光纤式压力传感器其主要致力于超高温和井下压力监测任务，但目前正在研发 中 4.1.2 光纤传感器在石油测井中的应用 石油测井是石油工业最基本和最关键的环节之一，压力、温度、流量等参量是油气井 下的重要物理量，通过先进的技术方法对这些量进行长期的实时监测，及时获取油气井下 信息，对石油工业具有很重要的意义 。 利用光纤传感器能进行井下流量测量、温度测量、压力测量、含水(气)测量、密度 测量、声波测量等。 (1) 流量测量 由于光的强度、相位、频率、波长等特性在光纤传输的过程中会受到流量的调制，利 用一定的光检测的新方法把调制量转换成电信号，就可以求出流体的流量，这就是光纤流量计 的工作原理 [7] 。 (2) 温度及压力测量 分布式光纤测量系统(DTS)利用光纤后向拉曼散射的温度效应，可以对光纤所在的温 度场进行实时监测。 光纤热色温度传感器是由白光源、多模光纤组成的反射式温度传感器；光纤辐射式温 度传感器利用黑体辐射能量，其非接触，可测瞬问温度，响应速度快，不需要热平衡时间， 可用于高温测量。 (3) 含水(气)率及密度测量 U 型光纤的传输功率随外界介质折射率变化而变化，光波作为信息载体，与混合流体 电阻率、流型及水质无关，基于该原理的光纤持率／密度传感器从本质上解决了现有持率 存在的高含水无分辨率和放射性物质的应用问题，对于多相流体油、水、气的折射率各不 相同，因而混合流体的折射率会随着油、水、气比例的改变而改变。因此这种折射率调制 型光纤传感器不仅能测流体持率，可同时测流体密度，其精度较高。 (4) 声波测量 地震波在不同的介质中传播，接收到的地震波波形就会不同，根据不同的地震波形态， 可识别地层沉积序列和沉积构造，为储层定位、判断窜槽、检测套管破损及断裂、射孔层 位及确定流体流量等。VSP 地震测井，就是把检波器放人井中，通过地面击发的地震波或 利用井中流体流动等产生的微震动，由井中的检波器接收地震信号。永久井下光纤三分量 地震测量具有高的灵敏度和方向性，能产生高精度的空间图像，不仅能提供近井眼图像， 而且能提供井眼周围地层图像，测量范围能达数千公里。它能经受恶劣环境条件，且没有 可移动部件和井下电子器件，能经受强的冲击和震动，可安装在复杂的完井管柱极小的空 间 4.2 光纤传感器在电力系统的应用 电力系统网络结构较为复杂、分布面广，在高压电力线和电力通信网络上存在着各种各 样的隐患，因此，对系统内各种线路、网络进行分布式监测显得很重要。 4.2.1 在高压电缆温度和应变测量中的应用 在理想情况下，光纤应被置于尽可能靠近电缆缆芯的位置，以更精确地测量电缆的实 际温度。对于直埋动力电缆来说，表贴式光纤虽然不能准确地反映电缆负载的变化，但是 对电缆埋设处土壤热阻率的变化比较敏感，且能减少光纤的安装成本。 4.2.2 在电功率传感器中的应用 电功率是反映电力系统中能量转换与传输的基本电量，电功率测量是电力计量的一项 重要内容。光纤电功率传感器的主要特征是：由于电功率传感同时涉及电压、电流 2 个电 量，因而常常要同时考虑电光、磁光效应，同时利用 2 种传感介质或 1 种多功能介质作 为敏感元件，这使得光纤电功率传感头的结构相对复杂；光纤电功率传感器的光传感信号 中有时同时包含电压、电流信号，因此其信号检测与处理方法也将很复杂。 4.2.3 在电力系统光缆监测中的应用 经过测量沿光纤长度方向的布里渊散射光的频移和强度，可得到光纤的温度和应变信 息，且传感距离较远，所以有深远的工程研究价值。 基于布里渊光时域反射(BOTDR)的分布式光纤传感系统 原理如图 2 所示。 [11] ，采用相干检测技术，系统 图 2 基于 BOTDR 传感系统原理 BOTDR光纤传感系统测量的是光纤的自发布里渊散射信号，其信号强度非常微弱， 但能够使用相干检测技术提高系统信噪比。这种方案可单光源、单端工作，系统简单，实 现方便，而且可同时监测光纤断点、损耗、温度和应变。 4.3 传光光纤传感器在医学方面的应用 在医学中的应用医用光纤传感器目前主要是传光型的。以其小巧、绝缘、不受射频和 微波干扰、测量精度高及与生物体亲合性好等优点备受重视。本文将主要介绍传光光纤在 压力测量、血流速度测量、pH值测量三个方面的应用。此外，它还能应用于测量温度和 医用图像传输上面。 4.3.1 压力测量 目前临床上应用的压力传感器主要用来测量血管内的血压、颅内压、心内压、膀胱和 尿道压力等。用来测量血压的压力传感器示意见图 3。其中对压力敏感的部分是在探针导 管末端侧壁上的一块防水薄膜，一面带有悬臂的微型反射镜与薄膜相连，反射镜对面是一 束光纤，用来传递入射光到反射镜，同时也将反射光传送出来。当薄膜上有压力作用时。 薄膜发生形变且能带动悬臂使反射镜角度发生改变，从光纤传来的光束照射到反光镜上， 再反射到光纤的端点。由于反射光的方向随反射镜角度的变化而改变，因此光纤接收到的 反射光的强度也随之变化 [12] 。这一变化通过光纤传到另一端的光电探测器变成电信号，这 样通过电压的变化便可知探针处的压力大小。 图 3 光纤体压计探针 4.3.2 血流速度测量 多普勒型光纤速度传感器测量皮下组织血流速度的示意见图4。此装置利用了光纤的 端面反射现象，测量系统结构相对比较简单。 图 4 光纤体压计探针 发光频率为f的激光经透镜，光纤被送到表皮组织。对于不动的组织，例如血管壁， 所反射的光不产生频移；而对于皮层毛细血管里流速为 的红细胞，反射光要产生频移，其 频率变化为△f；发生频移的反射光强度与红细胞的浓度成比例，频率的变化值可与红细胞 的运动速度成正比。发射光经光纤收集后，先在光检测器上进行混频，然后进人信号处理 仪，从而得到红细胞的运动速度和浓度。 4.3.3 pH 值测量 用来测定活体组织和血液值pH光纤光谱传感器示意图，如图5所示。其工作原理是利 用发射光、透射光的强度随波长的分布光谱来做测量。这种传感器将两根光纤插入可透 [13] [13] 过离子的纤维素膜盒中．膜盒内装有试剂，当把针头插入组织或血管后，体液渗入试剂， 导致试剂吸收某种波长的光．用光谱分析仪测出此种变化，即可求得血液或组织的pH值 。 图 5 测定 pH 值的光纤光谱仪 4.4 光纤传感器在土木工程中的应用 在大型土木工程中如果发生意外事故，极易造成重大的经济损失和人员受伤或死亡，所以工程安 全性成为工程设计者及科研人员极为关注和重视的问题。国内外研究和工程实践表明：光 纤光栅传感器满足了土木工程测量的高精度、远距离、分布式和长期性的技术方面的要求，为解 决上述关键问题提供了良好的技术方法。 4.4.1 在桥梁监测中的应用 目前，应用光纤光栅传感器最多的领域之一当数桥梁结构的健康监测。 4.4.2 边坡监测中的应用 光纤传感由于能实现空间立体监测和连续性监测，在大型土木工程的安全监测中已得 到了慢慢的变多的重视。 4.4.3 隧道监测中的应用 对隧道的监测内容最重要的包含隧道围岩变形，隧道周边位移，围岩压力及两 层最重要的包含隧道围岩变形，隧道周边位移，围岩压力及两层支护间压力，支护 和衬砌内应力、表面应力及裂缝测量，锚杆或锚索受力等。

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