文摘

光纤传感器具有独特的优势和特色,使他们非常有吸引力对于许多应用程序尤其是涉及困难的条件下,其他传统的电子传感器通常失败。在商用光纤传感器中,法布里-珀罗传感技术可能是最通用和最有趣的一个相对低成本的通用信号调整器可以很容易地阅读兼容Fabry佩罗传感器测量不同的物理参数如压力、温度、压力、位移、折射率。本论文详细描述这个光学传感技术的许多优点,也总结了商业化的操作模式信号调节器和传感器。

1。介绍

W母鸡有人听到的术语“光纤”,通常想到的第一个协会通常是相关的现代通信链路,帮助快速、大容量的扩张爆炸信息数据需求由我们的“社会形象驱动”,通过互联网和其他新通信技术的民主化。其他一些人也会把光纤发光塑料圣诞树,被一个星座的恒星在无数的创建的塑料光纤传输改变颜色灯的光。

实际上很少会认为光纤也可以一个传感器的核心技术,已经开始在我们的日常生活。在这种情况下,光纤仍然是一个物理链路的光传感器和信号之间的护发素,但是信息如何编码,转换成有用的数据将取决于所使用的技术。

在过去几十年里巨大的工作已经由学者和业界发展传感技术利用光传播特性在光纤(1- - - - - -3)允许测量尤其是在困难的条件下。

候选人技术监控物理参数与光纤传感器(OFS)可分为四个主要类别的依赖参数测量的位置:单点,长计,quasi-distributed和分布式4]。在单点检测,测量执行定义的点沿着纤维,通常在或即将结束,因为大多数的法布里-珀罗(.)传感器。在执行长期计传感器测量通常10厘米到10 m的光纤,如的代表作系统(5]。quasi-distributed OFS,数量有限的传感点是物理上位于相同的光纤,光纤布喇格光栅(FBG)的情况下支配这种类型的传感器。在完全分布式OFS,光纤本身作为传感介质,可用于区分不同位置的测量参数沿纤维如拉曼和布里渊分布式传感器。

在现在商业上可用的各种技术中,法布里-珀罗白光干涉测量可能是最有趣的一个point-sensing应用程序,因为它是一个多参数测量的低成本解决方案。介绍了这种传感器的优点和审讯技术,适用于物理参数测量在富有挑战的环境。

2。为什么使用法布里-珀罗光纤传感器?

测量物理参数如温度、压力、应变有时可能成为一个真正的挑战,如果环境不适合传统的电子传感器等传感器。例如,在强大的存在电磁(EM)或微波(MW)干扰,它可能是一个头痛保护准确和可靠的温度测量的热电偶。麻烦等光学传感器仅仅是避免自编码光在光纤芯不受任何影响电磁干扰(EMI)。所以任何时候这种干扰存在在一个给定的应用程序中,光学传感技术可能是最好的解决方案来选择,如果不是有时唯一的一个。例如,没有一个光纤传感器是非常棘手的监控你的热狗微波炉加热,你可能永远也不会知道,你的香肠是热的燃烧而包子仍冻结直到你咬一口。如果你是一个食品包装工程师试图优化一个复杂的传热微波电视晚餐或者如果你是一个设计师或程序员MW烤箱,在兆瓦过程中实时温度数据可能会更简单的小玩意热狗的粉丝。你可能会因此感激使用检测微波工作站配备OFS(多工作站系统)。作为一个例子,图1显示温度实验数据获得的1 L水浴加热1200 W商业微波炉峰值功率的计算根据国际标准文档中描述的协议(6]。3不同FOT-L温度传感器的温度测量与OSR审问者,允许计算兆瓦的电力,即使是在MW供热。MW峰值功率测量实验证实的1200 W值炉制造商。

相同测量出现问题如果你是化学家试图控制压力或温度等关键参数在微波化学过程中,一个工程师监督射频(RF)木材干燥、医生的温度监测重症监护患者进行磁共振成像(MRI)扫描,或者如果你是一个外科医生选择燃烧与射频仪器微创导管组织:没有一个光学传感器你可能面临巨大的困难。甚至在极端环境中如遇到核反应堆存在强烈的辐射,光学传感器可以提供一个有吸引力的替代解决方案(7,8]。

EMI可能并不总是不断地出现在测量证明使用OFS。如果你是一个土木工程师监测桥梁的选择一个解决方案,一个大坝,在几十年或其他类型的结构,你可以把雷击破坏的风险或损失埋永久电传感器网络结构,或者你使用光学技术(9- - - - - -14)被证明是受这样的影响不可预测的事件吗?也是一个关键护理病人,你可能会感到更安全,如果你知道你的生命体征,如压力和温度测量和光学传感器(4],甚至不会让错误的读数可能存在的电磁干扰产生的各种电气设备在现代医院拥挤。

不敏感的EMI不是唯一的光学传感器的优势。相反,因为没有电是用来审问传感器只由光,这种设备本质安全,自然完全防爆。这可能是一个很好的特性,如果你正在与易燃气体或液体或如果你想避免的传感器可以是一个来源的放电或电磁场扰动。例如,液化天然气(LNG)水库显然是优秀的候选人纤维光学应变、压力、或温度传感器。许多其他应用程序可能会发现在化学加工行业或在军事应用,如涉及爆炸材料或导弹控制。

光的另一个推论事实而不是电传递有用的信息和传感器之间的信号的护发素是沿着光纤衰减发生非常低。事实上这个优势是真正独特的如果测量必须在偏远地区,因为它是通常情况下管道等大型土木结构(15)、桥梁、隧道、大坝。此外,如果光纤交叉区域,并有很强的电磁干扰,没有问题会发生在传播测量,这不是电力传输的情况。例如,与法布里-珀罗传感干涉法开发的FISO技术5公里(可扩展到12公里,自定义远程信号调整器)可以单独测量和记录位置相同的杰出的传感器的灵敏度和准确性。

铜线相比,玻璃光纤更轻,而且这些属性可能成为一个有趣的应用程序功能,其中轻型传感器解决方案等问题在航空和更关键的是在空间应用程序。玻璃是一个稳定的惰性材料,不腐蚀也是一个优势等长期应用在户外条件下典型土木工程的应用。

电传感器相反,大多数的光学传感器没有金属的建设。在某些情况下,金属可用于包装时这并不存在一个问题,而是一个全玻璃和聚合物传感器有很大的优势在与电磁场干扰等不可取,在医院期间MRI调查。传感器结构中使用的材料和包装也一般生物相容性和化学惰性,使光学传感器完全适合医疗或严厉的化学环境的应用程序。除了它的耐化学性,玻璃也很耐温度提供了一个额外的优势,非常吸引很多富有挑战性的应用程序。实际上,OFS温度从低温到兼容是商用。

如果温度结合的化学环境,例如在石油和天然气井或强劲的EMI如遇到在等离子体的研究中,光纤传感解决方案更有吸引力。

除了所有的命名优势. OFS在表进行了概括1,可能是其中最有趣的是ultraminiature大小等传感器,可以实现在不牺牲传感器的可靠性和精度。结合其体积小,传感器的几何形状,这通常是轴向的,有时是一个额外的有趣的优势。例如,它可以监测应变在一个小螺栓几乎不改变其力学性能:一个小洞钻在其中心和充满230年m OFS粘应变传感器(FOS-N)肯定会给更准确比电子平面应变计测量,只能通过创建一个平面安装在螺栓,肯定会创建一个弱点从而偏压真正的应变测量。

传感器小型化OFS允许精确的访问原位测量物理参数的确切位置必须在偏远地区有时发现。这有一个很大的影响在很多行业,特别是在医学应用涉及微创诊断和治疗16,17]。压力,温度和应变OFS制造已经发现许多市场定位,它们的大小和可靠性是关键需求。例如,FOP-MIV压力传感器(见图4),这是目前大规模生产和组装使用一个完全自动化的生产线和质量控制,满足所有的需求所必需的融入医疗设备(18]。因此适合全球许多医疗应用,小型化和传感器的可靠性是至关重要的。例如,它可以集成到一个导管用于主动脉内气球泵(IABP)治疗19)这是一种维持生命的治疗在很多心脏外科手术中使用(20.- - - - - -22]。微型光学传感器可以提供一个准确的泵直接从触发信号原位测量主动脉压力波形(如一个模拟图5(一个))。IABP治疗集成光学压力传感器简化和也更可靠,因为现在IABP导管的直径大小减少到没有与传统IABP导管使用射流转导压力监测。这样的高价值的小型化显著降低缺血的发生,这是风险最高的治疗(23]。

额外的压力传感器小型化与直径的光纤之一(125年)[24,25),目前正在开发,将进一步推动了限制实现OFS并将为微创开辟新的途径原位测量。

在某些情况下选择OFS只能驱动的光学技术,提供一个独特的优势,但在某些情况下的组合标准实际上会使OFS唯一适用的解决方案的选择。例如,在发动机测试行业,不仅电机产生大量的热量在严酷的爆炸性化学环境愚昧人也一阵EMI,传统的电子传感器,使用OFS监测压力(26,27)、应变周期或温度,以最小系统的扰动,可能是一个明智的方法。

3所示。信号调整器是如何工作的?

在光纤point-sensing商用技术、法布里-珀罗白光干涉测量可能是最具吸引力的一个。无疑是它最大的优势,它提供了一个低成本的解决方案,用于检测的各种物理参数,如温度、压力、应变/力、位移和折射率。所有这些参数可以准确测量相同的通用信号调整器,已经满足所有工业健壮性标准。

FISO技术实际上提供了两个专利技术(28- - - - - -30.),适合在质问法布里-珀罗传感器。一个提供了一个精确测量传感器的读数(绝对测量),另一只给了一个测量的变化(相对测量)。

相比于其他光纤传感技术需要昂贵的光学来源或光谱分析设备比如询问光纤光栅传感器,法布里-珀罗技术需要廉价和简单的系统工具,因为它将在以下小节中描述。

3.1。绝对测量传感技术

第一个技术最大的优点是测量绝对这意味着传感器可以断开连接和重新连接,仍然给相同的阅读没有任何调整。由于光源和探测器的局限性,这种技术现在kHz的采样率范围有限,然而适合大多数工业实际应用(最近发布的FPI-HS允许15千赫采样率)。

这个传感技术原理,图的图示2其实很简单,虽然有些技术细节必须被认为是为了制造这种设备。

一个光源,即一个明亮的非相干光源,首先是和指导注入一个多模光纤,然后到一个输入的耦合器充当50/50功率分配器。一个输出与OFS通过一个光学连接器的信号调整器面板。第二个耦合器的输出是不习惯或在某些配置可以连接到一个光探测器光源监测目的。然后,光线穿过光纤,直到它达到顶端,OFS组装。

OFS是一个法布里-珀罗干涉仪的核心实际上是众所周知的在光学科学界现在一个多世纪31日]。它被用在许多研究应用,如物理和天体物理学特别是。它实际上是由两个平行的,完美的平半反射镜由给定的差距。穿过第一个镜子反射的光之间的大量的时间来回两个平行平面,如图3。然而,在每一个反射的一小部分入射电子束逃干涉仪创建大量的平行光束(在同一角度)新兴进入干涉仪。在自由的空间,他们可以集中形成一个图像由一个凸透镜创造一个建设性的多光束干涉的产生非常明亮和锋利的干涉条纹。他们的间距取决于光路(即相关平行平面之间的距离和飞机之间的折射率)和自然光线的波长。因此如果一个物理参数测量的传感器改变了光程差(门诊部当).干涉仪的光逃离.干涉仪将编码根据这一变化。

在光纤版本中,光线从.干涉仪没有直接专注于飞机给上面提到的干扰,但光束,而注入到光纤,他们最初来自旅行回来,进入光学连接器的信号调整器的水平。然后,再次分开的耦合器分为两个纤维。光直接回光源丢失而其他光纤把光光学框,光线分布在斐索干涉楔,重建物理记录的干涉图样使用电荷耦合装置(CCD)。因为使用白光,所有波长存在,因此破坏性的干扰发生,除了零阶所有波长实际上是建设性的。由于楔,创建一个厚度的线性变化,阐述干涉图样的最大强度的确切位置的光程差=一个创建.传感器,和一些低强度的峰值周围对称中央峰(如由干涉仪互相关函数)。从而发现传感器门诊部当相关物理参数来衡量仅仅包括寻找最大峰值的位置在CCD干涉图样。这个健壮的干涉方法允许准确和精密.腔长度测量事实上精度范围在几十年的测微计,从而使一个非常有趣的动态范围。

3.2。相对测量传感技术

第二技术商业化快速的品牌下,只提供一个相对测量:传感器必须每次光学连接的引用。这种技术是最适合监测很快发生爆炸或爆炸等事件32),例如,或现象需要非常高的分辨率。由于使用更高效的光源和探测器,采集速率要快得多与其他技术:通常0.2 MHz,但是它可以扩展到2 MHz如果数据后处理是可能的。

在这个技术,光源实际上是一个明亮的发光二极管(LED)波长区间窄。与前面的方法相似,光注入光纤引导.传感器通过一个耦合器和光学连接器信号调整器面板。一旦从传感器返回,再次通过连接器和编码灯通过耦合器,而是被定向到一个光学框像以前,而是又分为两个光纤耦合器。每个纤维定向到一个校准.腔安装的光电探测器。校准.蛀牙实际上是选择这两个探测器记录信号的正交阶段:也就是说,如果一个光电探测器记录余弦信号,另一个将记录正弦信号的线性变化的物理参数测量。

后引用的传感器测量的开始意味着选择任意阶段周期传递函数,信号处理算法允许跟踪传感器的位置在这个周期函数。因此传感器变化并不局限于一个周期,并可以通过一些订单没有任何问题。唯一的限制是,传感器顺序变化不应高于采集率,以便跟踪可以持续进行。在大多数实验情况下,这显然不是一个问题。

4所示。法布里-珀罗传感器是如何工作的呢?

大多数的法布里-珀罗光纤传感器在同一想法:建造他们有一个.干涉仪的门诊部当变化根据他们被设计用来测量的物理参数。传感器门诊部当信号调整器的精确描述的技术绝对或相对测量。多亏了一个适当的传感器校准,这种门诊部当转换成适当的单位相应的传感器类型为终端用户展示一个全面的价值。

尽管一些各种商用传感器模型之间的差异确实存在,他们可以通过物理参数类别简要总结。

4.1。应变传感器

应变传感器的核心传感部分由两个玻璃纤维,由完全结束平面面对面构成.腔与给定的长度。由于微细管玻璃管,永久修复每个纤维在一个良好定义的点几毫米.腔,该联合不断维护。.腔长度的比值变化来分离两个安装点的距离就是压力传感器(测量的单位)。

测量材料的应变传感毛细管必须粘或嵌入到或在材料研究。一旦材料负载或热膨胀变形,这种变形传递到毛细管从而.腔的长度是变化的,正是衡量信号调节器。

由于这种传感器的几何,它几乎是不敏感的横向应变:只有轴向压力检测。这是一个额外的巨大优势传统电子应变式。

与它的设计,因为玻璃材料用于光纤形成.腔和毛细管是相似的,这种应变传感器是几乎不受热膨胀:纤维的热膨胀总是补偿热膨胀的毛细管。这样的薪酬不发生的唯一地方是.水平,这意味着只有几微米不热补偿。相比其他商业OFS应变传感器光纤布喇格光栅(FBG)等也是常用的行业中,法布里-珀罗应变传感器是至少一个数量级少热敏感,这可能对于某些应用程序,以避免温度测量热校正的目的。

旁边的光传感器配置上面这里描述的,FISO技术还生产配置的应变传感器集成到可靠的包装,可以是焊接(SFO-W传感器)钢结构或直接嵌入到混凝土铸件或类似的材料(EFO传感器)。有几种动态范围与标准产品(1000年,2500年和5000年),但是定制的传感器可以很容易地做到这一点的最佳优势的整个动态范围信号调节器。所有这些传感器典型的决议(这也取决于所使用的审讯者)满刻度的0.01%。

4.2。温度传感器

两种类型的.温度传感器可用商业:毛细管类型和折射率类型(见图4)。

毛细管式温度传感器的设计实际上是非常类似于上面的描述应变传感器:两个平底纤维聚集在一个玻璃毛细管形式.腔。但与应变传感器,一个纤维的材料选择具有较高的热膨胀系数(CTE)。纤维热变化因此不再由毛细管的补偿。

同时,这个管封装到一个更大的毛细管,防止传感器的传感部分可能会受到压力的影响通过包装传播。

当温度上升时,热敏感的纤维膨胀,减少.腔长度。由于工厂校准,这个长度变化转化为温度的值。

几个包装和热范围可供FOT-L传感器和可以选择取决于应用程序的特定需求。当然传感器的响应时间将取决于所选择的包装,但低于0.5秒打包的传感器是一个典型的值和一个光传感器约1毫秒。这个传感器是一个典型的准确性医疗温度范围(来),对于一个工业温度范围(来)。

另一种类型的温度传感器也可以。这一次,而不是材料热膨胀,温度依赖的折射率,而用于改变的门诊部当.传感器。半导体材料的微小芯片热高折射率的依赖和两个semireflective表面构成一个.腔组装的提示引导光纤。这个坚实的紧凑设计实际上是最小的光纤温度传感器市场上(150米平方)。它的灵敏度是一个数量级低于毛细管式温度传感器,但由于其极低的热质量,其响应时间比5年代的光传感器使快速温度变化监测传感器非常有趣或精确的空间点温度地图应用程序。

4.3。压力传感器

法布里-珀罗传感器的压力,也称为压强计尤其是在土木工程行业,通常有一个类似的设计。通常反映变形膜组装在一个真空腔以透明材料制成,因此可以说形成一个小鼓。空腔的底部和灵活的内部平面膜形成传感.腔。应用压力时,膜对腔的底部偏转从而减少.腔长度。用适当的传感器校准,每个空腔长度对应于一个压力值显示与选定合适的单位。

数范围(从40 kPa 0 - 70 MPa相对于大气压)也可以用不同的包装方案设计,以适应不同的应用程序。两个主要的压力传感器的家庭可以选择可用的产品之一FISO技术:FOP-C粗大健壮灵活的金属薄膜传感器主要用于工业应用要求介质高压范围和FOP-M家族提供微型传感器( 0.25 - -0.5毫米)使用的和控制光刻技术制造。在这种情况下,柔性膜制成的薄层硅连着一个玻璃腔。它适合大多数应用程序大小和精度是非常重要的问题。它可以从40 kPa 20.7 MPa(全系列)和灵敏度最高。其他设计也可以在光纤轴和弹性膜在平行平面(FOP-MS和FOP-MSL)。有时候这样的配置是有用当路由光纤是困难的在一个给定的应用程序。

图5显示了从260年获得的波形直径FOP-M260 FPI-HS询问机压力传感器测量。这个询问机可以软件可配置采集率15 kHz。在图中5收购3千赫的选择,不同的可编程低通滤波器应用于调整输出带宽。在图5(一个),显示一个模拟典型主动脉压力波形(80 - 140毫米汞柱19),它可以看到30 Hz过滤器提供了一个平滑轮廓没有扭曲了实验数据。如果这样的带宽是足够的对于人类血压监测,它可能不是对小动物有更快的心跳16]。当更高频率存在如在0.5赫兹广场波形呈现在图5 (b),应用过滤器允许可视化的信号结构,否则平滑。它可以看到放大图显示压力突然增加5 (c),一个200赫兹反弹阻尼波动601 Bio-Tek系统中生成一个压力模拟器在每个剧烈的压力变化。300 Hz滤波器比30赫兹在这种情况下更合适的过滤器,它可以消除压力快速变化和比3千赫过滤器(对应于没有过滤自收购率设置为3千赫)由于数据是由于平均滤波器平滑。适应采集率和输出带宽与FPI-HS审讯者(如可能)允许因此最佳信号处理。

4.4。折射率传感器

在某些方面,折射率传感器的设计来自压力传感器。但在这种情况下,膜不是很灵活,和空腔打开双方不是密封的,真空的。两平面之间的物理维度,创建.腔保持固定,打开到外部介质,所以任何流体(气体或液体),进入腔可以改变它的折射率,从而将改变.腔的门诊部当护发素准确测量的信号。折射indec从1.000到1.700,覆盖广泛适用于大多数液体和气体,通常可以用一个标准的星期五与一个典型的传感器分辨率10⁻⁴RIU。然而,自定义设计可以允许更高的折射率范围如果必要的。

开放以来.腔只有几微米宽,非常不透明的液体可以度量。例如,你可以很容易地看到折射率的增加你和牛奶你溶解糖的黑咖啡。唯一的限制是,液体应该轻易穿透.腔,所以粘性液体或液体泡沫将更难以衡量。但是,相反其他折射率技术基于衍射角度测量,.折射率传感器表面污染影响不大,因为它实际上措施真正大量折射率来回通过.腔;所以表面污染物层通常是微不足道的影响整个光路。

4.5。位移传感器

.位移传感器设计完全不同于所有其他描述传感器。斐索干涉楔形安装在弹簧轴定位前的肢体的光纤如图6。轴移动,肢体纤维面临的楔形变厚度.腔有关,与适当的校准,线性轴位置。

标准FOD位移传感器(见图6),一系列20毫米和2的准确性米,轴位移光纤是正常的。时间范围与光纤位移传感器和特殊的传感器比位移相同方向轴也可以。

5。结论

正如本文所讨论的,法布里-珀罗光纤传感技术提供了一个真正的各种传感器物理参数(如压力、温度、压力、折射率、位移,等等),可以询问的两个商业家庭通用信号调节器,通过快速(kHz范围)绝对测量或超快(MHz范围)相对测量。

这样的光学传感器具有独特的优势,使它们适合许多困难的条件下,有时是不可能解决与传统电传感器。它们特别适合在各种环境中,例如,在强电磁干扰的存在,当有爆炸或燃烧的风险,当温度过低或过高或化学环境很恶劣。当其他传感器太大或太重,难以测量地点时,或者当测量设备必须在偏远地区,法布里-珀罗光纤传感器应考虑作为一个实际解决问题,有时令人费解的工程师。

值得考虑的另一个原因是,这个会给出光学传感技术,现在十多年,商业化是市场上成本最低的国家之一。实际上最近引入的新发展的平台接受OEM-ready可脱卸的导轨模块,FISO技术现在提供给工程师和科学界的成本降低和质量效益大容量OEM模块和传感器,在不牺牲定制和可扩展性的可能性。

这个新的民主化的最初和无与伦比的传感技术困难的条件下,可以打赌,新的机遇和创新的应用程序将蓬勃发展在不久的将来,让这些光学传感器越来越多的出现在我们的日常生活。