1、淺談多傳感器光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)    多傳感器光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要由多個(gè)光電傳感器和光纖網(wǎng)構(gòu)成。光傳感網(wǎng)和光通信網(wǎng)的差別主要是：光傳感網(wǎng)絡(luò)中既有數(shù)字信號(hào)，也有模擬信號(hào)，并且通常以模擬信號(hào)居多；而光通信網(wǎng)則主要是傳輸數(shù)字信號(hào)。此外，光傳感網(wǎng)主要是近距離的傳輸(幾米幾百米至數(shù)公里)，因此傳輸損耗有時(shí)可不考慮。一、可用于構(gòu)成光傳感網(wǎng)的傳感器       光傳感網(wǎng)主要用于智能結(jié)構(gòu)，智能材料以及大范圍多點(diǎn)、多參量的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。因此，用于組網(wǎng)的光傳感器應(yīng)滿(mǎn)足微型化、高可靠、可連網(wǎng)燈要求。此外還應(yīng)考慮其測(cè)量的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍、光纖和

2、材料及匹配等因素。為此應(yīng)從光纖傳感器的種類(lèi)及光纖結(jié)構(gòu)兩方面加以考慮。目前，用于傳感器網(wǎng)的光纖傳感器有多種，且分類(lèi)方法各異，現(xiàn)取較通行的分類(lèi)方法且適用者分別介紹。1定義    (1)點(diǎn)式傳感器 (Point Sensor)    點(diǎn)式傳感器是指?jìng)鞲蓄^幾何尺寸較小，只局限于檢測(cè)一個(gè)很小截面內(nèi)的某一參量的值。傳感頭的具體尺寸，則視被側(cè)結(jié)構(gòu)的尺寸和被測(cè)參量而異。理論上是一個(gè)點(diǎn)，實(shí)際上探頭尺寸可擴(kuò)大到幾個(gè)厘米或幾個(gè)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?jìng)鞲衅鳒y(cè)量的是一定范圍內(nèi)的某一參量的平均值，例如：某一尺寸范圍內(nèi)應(yīng)變的平均值，或是溫度的平均值。測(cè)平均值的空間范圍由智能結(jié)構(gòu)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(xù)給出某一參量值的傳感器。它可給出大空間范圍內(nèi)某一參量沿構(gòu)件空間位置的連續(xù)分布值，其主要特征參量是空間分辨率和靈敏度。對(duì)于智能結(jié)構(gòu)等許多領(lǐng)域，這是一種十分重要的傳感器，也是目前的研究熱點(diǎn)之一。圖1給出了點(diǎn)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(gè)傳感器的編號(hào)。圖1 不同傳感器系統(tǒng)的輸出   (4) 傳感器的復(fù)用(MultiPlexe6sensor system) 由多個(gè)占點(diǎn)式傳感器或多個(gè)積分式傳感器或多個(gè)分布式傳感器構(gòu)成的一個(gè)復(fù)雜的傳感系統(tǒng)，稱(chēng)為復(fù)用傳感系統(tǒng)或傳感器的復(fù)用。對(duì)于光纖傳感器，其最大的優(yōu)點(diǎn)是：可以利用現(xiàn)有的光纖局域網(wǎng)技術(shù)，把多個(gè)傳感器連成一個(gè)復(fù)雜的傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于構(gòu)件進(jìn)行大范圍的多點(diǎn)、多參量測(cè)量，以滿(mǎn)足測(cè)量的不同實(shí)際需要。另外，由于傳感器的復(fù)用，諸多傳感探頭可以共用一個(gè)或幾個(gè)光源，共用一個(gè)或幾個(gè)光探測(cè)器和二次儀表，這樣一方面簡(jiǎn)化了傳感系統(tǒng)、提高了可靠性，另一方面

5、又大大降低了成本，這正是實(shí)際應(yīng)用所希望的。2點(diǎn)式光纖傳感器    只要傳感元件尺寸比結(jié)構(gòu)件尺寸小很多，就屬點(diǎn)式光纖傳感器。目前用于智能結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的點(diǎn)式光纖傳感器有多種，現(xiàn)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(jié)構(gòu)中，光纖在線F-P傳感器是應(yīng)用較成功的一種。光纖Fabry-Perot干涉儀(Fabry-Perot Interferometer：FPI)是一種“點(diǎn)”式傳感器，可用于結(jié)構(gòu)中測(cè)量溫度、應(yīng)變、超聲振動(dòng)等。由于它無(wú)需參考臂、可時(shí)分和相干復(fù)用等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而是許多光

6、傳感網(wǎng)中較理想的傳感器。    在20世紀(jì)80年代初已出現(xiàn)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(gòu)成的光纖FP干涉儀。在80年代后期則出現(xiàn)另外兩種結(jié)構(gòu)的FP光纖干涉儀(本征型和非本征型)，用于測(cè)量溫度、應(yīng)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(gòu)成。兩反射鏡可鍍介質(zhì)膜形成(例如，折射率為24的Ti02膜)或是“較差”的熔接點(diǎn)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(shí)間所形成的質(zhì)量較差的熔接點(diǎn))。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(jié)構(gòu)示意圖。它由兩根光纖和空氣隙構(gòu)成。兩光纖端面及其問(wèn)的空氣隙構(gòu)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(duì)光纖軸線的垂直度，此兩端面相對(duì)插入空心石英玻璃管，并仔細(xì)調(diào)節(jié)兩端面間距即可構(gòu)成F-P腔。兩光纖一長(zhǎng)一短，長(zhǎng)者用于輸入、輸出光信號(hào)，短者僅用其端面作反射面。    IFPI和EFPI的主要差別是：前者FP內(nèi)有介質(zhì)，當(dāng)選用不同敏感材料為腔內(nèi)介質(zhì)時(shí)則可構(gòu)

8、成測(cè)量不同參量的傳感器。例如，用寶石光纖為腔體材料可構(gòu)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(jí)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(mǎn)足不同的使用要求。低反射率(110)腔是通過(guò)計(jì)數(shù)干涉條紋的數(shù)目來(lái)測(cè)量腔長(zhǎng)變化的；高反射率腔則是通過(guò)一個(gè)干涉峰上不同位置光強(qiáng)輸出的變化來(lái)測(cè)量腔長(zhǎng)的微小變化。圖3 IFPI示意圖    (2)絕對(duì)測(cè)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(lián)網(wǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而受到廣泛重視，并已用于現(xiàn)場(chǎng)。其缺點(diǎn)是只能進(jìn)行相對(duì)測(cè)量，即只能測(cè)量變化量，不能

9、測(cè)量狀態(tài)量。因此，最近研制的用于絕對(duì)測(cè)量的光纖傳感器成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)之一。這種傳感器最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以測(cè)量狀態(tài)量，也就是能在外界有干擾或是意外停電之后，恢復(fù)原來(lái)的測(cè)量狀況，繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，給出當(dāng)前的測(cè)量結(jié)果，而不必對(duì)儀器重新校準(zhǔn)。因此它更適合于外界干擾(如沖擊)嚴(yán)重，或需長(zhǎng)時(shí)期進(jìn)行周期性監(jiān)測(cè)(如每天測(cè)一、二次)的應(yīng)用場(chǎng)合。    多數(shù)絕對(duì)測(cè)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(lái)光纖傳感領(lǐng)域中激動(dòng)人心的

10、新發(fā)展，由于它具有線性輸出、絕對(duì)測(cè)量、對(duì)環(huán)境變化不敏感，可構(gòu)成傳感網(wǎng)、全光纖化、微型化等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在智能結(jié)構(gòu)等許多領(lǐng)域中應(yīng)用前景看好，發(fā)展迅速。4分布式光纖傳感器    構(gòu)成分布式光纖傳感器主要需解決兩個(gè)問(wèn)題：傳感元件，例如光纖，能給出被測(cè)量沿空間位置的連續(xù)變化值；準(zhǔn)確給出被測(cè)量所對(duì)應(yīng)空間的位置。對(duì)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(yīng)等給出連續(xù)分布的測(cè)量結(jié)果；對(duì)于后者，則可利用光時(shí)域反射技術(shù)(oTDR)、掃描干涉技術(shù)等給出被測(cè)量所對(duì)應(yīng)的空間位置。下面舉幾例說(shuō)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(qiáng)隨溫度的變化關(guān)系以及oTDR技術(shù)可構(gòu)成分布式光纖溫度傳感器和分布式光纖應(yīng)力應(yīng)變傳感器，這種傳感系統(tǒng)研究得比較多，并已有產(chǎn)品問(wèn)世。    (2)分布式光纖應(yīng)力傳感器    高雙折射光纖受力時(shí)，兩證交偏振模會(huì)發(fā)生耦合，引起輸出光偏振態(tài)發(fā)生變化，再利掃描Michelson干涉儀，可測(cè)出受力點(diǎn)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(yīng)和OTDR技術(shù)可構(gòu)成分布式光纖應(yīng)變傳感器。光纖的微彎結(jié)構(gòu)，可有不同形式，如圖4所示。目前報(bào)道的結(jié)果是：測(cè)量長(zhǎng)為025m一段構(gòu)件上的平均應(yīng)變時(shí)，其應(yīng)變分辨率達(dá)100。己成商品的性能是：在210m范圍內(nèi)，測(cè)量分辨率為0004mm，測(cè)量精度為±003mm。圖4 微彎光纖傳感器探頭結(jié)構(gòu)原理圖    (4)分布式Sagnac光纖應(yīng)力傳感器    傳感器為Sagnac光纖干