1、淺談多傳感器光網絡系統    多傳感器光網絡系統，主要由多個光電傳感器和光纖網構成。光傳感網和光通信網的差別主要是：光傳感網絡中既有數字信號，也有模擬信號，并且通常以模擬信號居多；而光通信網則主要是傳輸數字信號。此外，光傳感網主要是近距離的傳輸(幾米幾百米至數公里)，因此傳輸損耗有時可不考慮。一、可用于構成光傳感網的傳感器       光傳感網主要用于智能結構，智能材料以及大范圍多點、多參量的監測系統。因此，用于組網的光傳感器應滿足微型化、高可靠、可連網燈要求。此外還應考慮其測量的靈敏度和動態范圍、光纖和

2、材料及匹配等因素。為此應從光纖傳感器的種類及光纖結構兩方面加以考慮。目前，用于傳感器網的光纖傳感器有多種，且分類方法各異，現取較通行的分類方法且適用者分別介紹。1定義    (1)點式傳感器 (Point Sensor)    點式傳感器是指傳感頭幾何尺寸較小，只局限于檢測一個很小截面內的某一參量的值。傳感頭的具體尺寸，則視被側結構的尺寸和被測參量而異。理論上是一個點，實際上探頭尺寸可擴大到幾個厘米或幾個平方厘米，視具體情況而定。    (2)積分式傳感器 (Integrating Sensor)

3、0;   積分式傳感器是指傳感器測量的是一定范圍內的某一參量的平均值，例如：某一尺寸范圍內應變的平均值，或是溫度的平均值。測平均值的空間范圍由智能結構的尺寸等因素而定。    (3)分布式傳感器 (D以ributed Sensor)    分布式傳感器是可沿空間位置連續給出某一參量值的傳感器。它可給出大空間范圍內某一參量沿構件空間位置的連續分布值，其主要特征參量是空間分辨率和靈敏度。對于智能結構等許多領域，這是一種十分重要的傳感器，也是目前的研究熱點之一。圖1給出了點式傳感器、積分式傳感器和分布式傳感器的原理示意圖

4、。圖中Sl，S2，是單個傳感器的編號。圖1 不同傳感器系統的輸出   (4) 傳感器的復用(MultiPlexe6sensor system) 由多個占點式傳感器或多個積分式傳感器或多個分布式傳感器構成的一個復雜的傳感系統，稱為復用傳感系統或傳感器的復用。對于光纖傳感器，其最大的優點是：可以利用現有的光纖局域網技術，把多個傳感器連成一個復雜的傳感網絡，對于構件進行大范圍的多點、多參量測量，以滿足測量的不同實際需要。另外，由于傳感器的復用，諸多傳感探頭可以共用一個或幾個光源，共用一個或幾個光探測器和二次儀表，這樣一方面簡化了傳感系統、提高了可靠性，另一方面

5、又大大降低了成本，這正是實際應用所希望的。2點式光纖傳感器    只要傳感元件尺寸比結構件尺寸小很多，就屬點式光纖傳感器。目前用于智能結構等領域的點式光纖傳感器有多種，現擇其主要者舉例介紹如下。    (1)光纖在線F-P傳感器    目前在智能結構中，光纖在線F-P傳感器是應用較成功的一種。光纖Fabry-Perot干涉儀(Fabry-Perot Interferometer：FPI)是一種“點”式傳感器，可用于結構中測量溫度、應變、超聲振動等。由于它無需參考臂、可時分和相干復用等諸多優點，因而是許多光

6、傳感網中較理想的傳感器。    在20世紀80年代初已出現用單模光纖兩端鍍反射膜或是直接利用光纖兩端面平整切口構成的光纖FP干涉儀。在80年代后期則出現另外兩種結構的FP光纖干涉儀(本征型和非本征型)，用于測量溫度、應變等參量。圖2是其中一種本征FP光纖干涉儀(Intrinsic Fabry-Perot Interferometer，IFPl)，它由一段單模光纖和兩反射鏡構成。兩反射鏡可鍍介質膜形成(例如，折射率為24的Ti02膜)或是“較差”的熔接點形成(例如，用比正常熔接光纖更小的熔接電流和更短的熔接時間所形成的質量較差的熔接點)。后者可形成110的反射率。圖

7、2 IFPI示意圖    圖3是另一種光纖F-P干涉儀非本征型F-P干涉儀(Extr小s5c Fabry-PerotInterferometer，EFPI)的結構示意圖。它由兩根光纖和空氣隙構成。兩光纖端面及其問的空氣隙構成干涉儀的F-P腔。此兩光纖端面要精心處理，以保證端面的平面性和端面對光纖軸線的垂直度，此兩端面相對插入空心石英玻璃管，并仔細調節兩端面間距即可構成F-P腔。兩光纖一長一短，長者用于輸入、輸出光信號，短者僅用其端面作反射面。    IFPI和EFPI的主要差別是：前者FP內有介質，當選用不同敏感材料為腔內介質時則可構

8、成測量不同參量的傳感器。例如，用寶石光纖為腔體材料可構成10002000的高溫傳感器。后者FP腔為空氣，可形成間隔為微米量級的短腔。這兩種腔的反射率都可高可低，以獲得不同的輸出譜寬，可滿足不同的使用要求。低反射率(110)腔是通過計數干涉條紋的數目來測量腔長變化的；高反射率腔則是通過一個干涉峰上不同位置光強輸出的變化來測量腔長的微小變化。圖3 IFPI示意圖    (2)絕對測量光纖干涉儀    光纖F-P干涉儀由于靈敏度高，探頭微型化，可聯網等諸多優點，因而受到廣泛重視，并已用于現場。其缺點是只能進行相對測量，即只能測量變化量，不能

9、測量狀態量。因此，最近研制的用于絕對測量的光纖傳感器成為人們關注的熱點之一。這種傳感器最突出的優點是可以測量狀態量，也就是能在外界有干擾或是意外停電之后，恢復原來的測量狀況，繼續進行監測，給出當前的測量結果，而不必對儀器重新校準。因此它更適合于外界干擾(如沖擊)嚴重，或需長時期進行周期性監測(如每天測一、二次)的應用場合。    多數絕對測量光纖傳感都是基于所謂“白光”干涉原理，即寬光譜干涉的原理工作。    (3)光纖Bragg光柵傳感器    這是一種新型的光纖傳感器，是近年來光纖傳感領域中激動人心的

10、新發展，由于它具有線性輸出、絕對測量、對環境變化不敏感，可構成傳感網、全光纖化、微型化等諸多優點，因而在智能結構等許多領域中應用前景看好，發展迅速。4分布式光纖傳感器    構成分布式光纖傳感器主要需解決兩個問題：傳感元件，例如光纖，能給出被測量沿空間位置的連續變化值；準確給出被測量所對應空間的位置。對于前者，可利用光纖中傳輸損耗、模精合、傳播的相位差以及非線性效應等給出連續分布的測量結果；對于后者，則可利用光時域反射技術(oTDR)、掃描干涉技術等給出被測量所對應的空間位置。下面舉幾例說明之。    (1)分布式光纖溫度傳感器

11、60;   利用光纖中Raman散射或B刪10uin散射光強隨溫度的變化關系以及oTDR技術可構成分布式光纖溫度傳感器和分布式光纖應力應變傳感器，這種傳感系統研究得比較多，并已有產品問世。    (2)分布式光纖應力傳感器    高雙折射光纖受力時，兩證交偏振模會發生耦合，引起輸出光偏振態發生變化，再利掃描Michelson干涉儀，可測出受力點的位置。    (3)分布式微彎光纖傳感器    利用光纖中的微彎損耗效應和OTDR技術可構成分布式光纖應變傳感器。光纖的微彎結構，可有不同形式，如圖4所示。目前報道的結果是：測量長為025m一段構件上的平均應變時，其應變分辨率達100。己成商品的性能是：在210m范圍內，測量分辨率為0004mm，測量精度為±003mm。圖4 微彎光纖傳感器探頭結構原理圖    (4)分布式Sagnac光纖應力傳感器    傳感器為Sagnac光纖干