智能化光纤传感器系统设计及应用研究

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摘 要：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。光纤传感器倍受青睐，测温系统在工业生产和科学研究等领域有着广泛的应用前景。它为人类的通讯带来了发展契机。文章从智能化光纤传感器系统的实际发展状况出发，通过对其工作原理、发展特点等的基本了解，从而掌握其设计及应用。

关键词：智能化；光纤传感器；工作原理；设计

引言

光纤传感器技术是正在迅速发展起来的一项新技术，在智能化的光纤传感器系统的发展过程中，光纤传感器作为光纤应用的一大发展领域，具有适应性强、灵敏、精确、小巧、智能化等发展优势。对于网络宽带、电话等的数字信息传输，在自动化设备上计数、识别等起着非常关键的作用。光纤传感器的应用已经遍布到人们生活的各个方面。深受广大人民群众的喜爱。通过科学、合理、有效地对智能化光纤传感器系统进行设计，从而不断地扩大其应用的发展领域是非常重要的。

1 智能化光纤传感器系统的发展概述

1.1 智能化光纤传感器系统的基本原理

光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光信号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、偏振态等）发生变化，成为被调制的信号源，再经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。其传感器大体上由出射光纤、入射光纤、光调制器、光源、光探测器组成。它是进一步实现信息的转换、监测传递功能的一种装置。当光源发出的光经过入射光纤传输到调制区当中时，进入到调制区内的光源便会与外界相关的被测参数进行比对，产生相互作用。o接着，便会将发生变化的相位、频率、光强等进一步调制成为相应的信号光，从而通过出射光纤进一步传输到光探测器上。从而实现信号之间的传递、转换。从严格的意义上来讲，它便指的是用于检测被测物体某种信号的一种传感仪器装置。它是处于传输处理系统和研究对象之间的一种接口装置。可以实现感知、获取、检测、转换等功能。

1.2 智能化光纤传感器的发展特点

光纤传感器是上世纪七十年代中期随着光纤和光通信技术迅速发展而发展起来的一种采用光纤的新型传感器，是以光作为被测敏感信息的传输途径，以光纤作为传递被测敏感信息的介质，它同时具有光纤及光学测量的特点。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量，也可以测量气体浓度、酸碱度等化学量，还有生物量等。由于光纤的频带宽，可用于遥测遥控，是一种良好的敏感元件，随着经济全球化的不断变化发展，我国逐渐在朝着智能化、创新化的方向发展。就其智能化光纤传感器系统而言，具有其独特的发展特点。

（1）抗电磁干扰与信号串扰能力强，灵敏度高，电绝缘的性能优良；（2）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；（3）具有与光纤遥测技术的内在相容性；（4）智能化光纤传感器可以进一步用于高温、腐蚀、电气噪声、高压等的恶劣环境中；（5）智能化光纤传感器系统可以用于制造各种如温度、声、磁、旋转等物理信息的传感仪器。

1.3 智能化光纤传感器的基本分类

1.3.1 按照其检测对象进行划分。按照其检测对象进行划分，大体上将智能化光纤传感器分为气体传感器、位移传感器、辐射传感器、光谱传感器、温度传感器、流速传感器等等。每一种所实现的功能是不尽相同的，但均是作为一种良好的信息转换装置来工作。

1.3.2 按照其调制原理进行划分。智能化光纤传感器按照调制原理进行划分，其大体上可以分为偏振态调制光纤传感器、强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、波长调制光纤传感器、频率调制光纤传感器等。

2 智能化光纤传感器系统的设计要求

2.1 智能化光纤传感器系统探测信号的质量良好

在进行智能化光纤传感器系统的设计过程中，保障其探测信号的质量良好是非常重要的。其在传输过程中，根据特性参数随着时间的变化过程中波动要小。不存在老化及滞后现象的出现。除此之外，在进行信号的传输过程中，要方便进行信号的处理，且易传输信号。

2.2 设计过程中要考虑优良的变换功能

在进行智能化光纤传感器的设计过程中，要充分地考虑其相应的变换功能。要具备时间的稳定性要求、动态变换的范围要广。对于降低电气噪声等的性能要高。重复性能好、灵敏度高等优良的变换功能。

2.3 与相应的待测信号之间的匹配性能要高

在相关的光纤传感器的设计过程中，对于其抗干扰的能力要进一步加强。除此之外，要充分地达到不受外界环境影响的优良效果。有效地保证其与待测信号之间的匹配性。

3 智能化光纤传感器系统的应用研究

3.1 在土木工程中的应用

随着光纤传感器技术的不断发展，土木工程领域光纤传感器得到了广泛的应用，主要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，它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。

3.2 应用于金属丝杨氏模量的测量

在光纤传感器的应用发展过程中，对于金属丝杨氏模量的测量是应用非常广泛的。不仅操作相对简单，而且有效地提高了测量结果的准确度和精确性要求。在测量的过程中，通过将金属丝受到作用力之后产生的微小形变，通过借用智能化光纤传感器进一步将其放大到若干倍。最终通过进一步计算得到杨氏模量。

3.3 在电力系统中的应用

在电力系统的发展过程中，最主要是针对大型电机的转子、定子、高压变压器等相关电气设备的温度的测定。而在测定过程中，由于电力系统类的传感器件在测量时会相应地受到磁场等的干扰，进而会导致其测量结果不准确，因此便会引发一系列的后果。对于其发展是非常不利的。因此，在其测量的过程中，采用智能化光纤传感器是非常必要的。采用智能化的光纤传感器系统不仅可以对电力系统周边的环境做出相应的感应，还会在一定程度上避免磁场的干扰。除此之外，光纤作为一种光波信号距离传输的媒介，可以有效地利用外界因素引起的相应变化，从而进行温度、磁场、频率、相位等物理量的感知。

3.4 应用于检测技术

光纤传感器广泛应用于航天（包括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）、生物医学（医用温度压力、颅内压测量、微创手术、一次性探头）科学研究（地球自转）。

4 结束语

综上所述，光纤传感器具有一些常规传感器无可比拟的特点具有广阔的发展前景，它是现代传感器技术的发展方向之一，普遍受到社会相关企业单位的高度重视。通过上述的研究分析可以发现，其智能化光纤传感器在土木工程、电力工程、石油化工行业的发展中扮演着非常重要的角色。不断完善相关的设计准则、开拓新市场，拓宽市场发展领域，对于智能化光纤传感器的发展有着重大发展意义。

参考文献

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[2]何道青.传感器与传感器技术[J].北京：科学出版社，2004，8.

[3]吴晓静.光纤故障定位系统的设计与实现[D].河北科技大学，2013（12）.

作者简介：黄孙新（1982，6-），男，汉族，籍贯：海南，学历：本科，职称：中级，研究方向：电力通信。