光纤传感器的应用

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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；

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；

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。

应用范围：光纤传感器应用领域非常广泛，涉及石油化工、电力、医学、土木工程等诸多领域。

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4.1光纤传感器在石油化工系统的应用

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

应用光纤传感器可以制成井下分光计，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。

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，通过先进的技术手段对这些量进行长期的实时监测，及时获取油气井下信息，对石油工业具有极为重要的意义[5]。

利用光纤传感器可以进行井下流量测量、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尤为重要。

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，而且能够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点是：由于电功率传感同时涉及电压、电流2个电量，因而通常需要同时考虑电光、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比较复杂。

4.2.3在电力系统光缆监测中的应用

通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[11]，采用相干检测技术，系统原理如图2所示。

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，但可以采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，它还可以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。

4.3.3pH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进行测量。这种传感器将两根光纤插入可透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[13]。

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事故，极易造成重大的经济损失和人员伤亡，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要求，为解决上述关键问题提供了良好的技术手段。

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越来越多的重视。

4.4.3隧道监测中的应用

对隧道的监测内容主要包括隧道围岩变形，隧道周边位移，围岩压力及两层主要包括隧道围岩变形，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。