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1、光纤传感器在电磁测量方面的应用摘要光纤传感器是07年代兴起的、以光与电子综合枝术为基础的新型传感装置。本又综述了光纤传感器的主要特点和分类,分别介绍了测量电流、磁场、电压和电场的各种光纤传感器,这些传感器各自基于磁致伸缩效应、电致伸缩效应、光Faraday效应及Pockels效应。最后讨论了国内外的发展动向。一、概述近年来光纤传输技术发展很快,它不仅在光纤通讯领域取得了惊人的成就,而巨在计测与控制方面的应用—光纤传感器技术也日益活跃,愈来愈为人们所注目。一般传感器是将各种非电量信息变换成电信息,而光纤传感器则是将
2、各种物理量变换成光信息,由于它以光导纤维作为光的传输介质和敏感介质,因此具有许多优于使用电线的一般传感器的特点:(1)绝缘性极佳。20cm长的光纤能耐1OokV的高压,因此它勿需接地,不存在短路问题,使用安全性好。(2)抗电磁场干扰能力强。(3)耐水、耐火、耐高低温、耐化学腐蚀。(4)重量轻,直径细,直径10mm的光纤每公里长只有279。(5)可挠性好。(6)可利用光的强度、相位、偏振特性及光频等参量来传递光信息,灵敏度高,可靠性好。(7)可远距离、大容量、高速传输信息。(8)原材料丰富,经济性好等。综上诸优点,
3、使之可作为力、运动量、温度、声、红外线、可见光、图像、核物理量以及电磁量等各种传感器,广泛应用于各个领域,而且较容易地解决了一般传感器难以处理的技术问题。以超高压输电测量为例,近年来在270~lookoV超高压输电技术的发展中,常遇到绝缘、接地等问题,待开发超高压系统的安全可靠的监测手段。光纤传感器用以超高压计测,不仅极容易解决绝缘问题,而且可以从远处检测到高速变化的波形,安全、可靠。光纤传感器的分类方法有多种,如按光纤在其中所起的作用分、按光纤在外界信息作用下光参量调制的种类分及按所计测的物理量及所应用的光学效
4、应分等。按光纤所起的作用分类,如图1所示,可分为以下两类。(1)光传输通路型(NF型)光纤仅作为光信息的传输通路,待测信息靠其敏感材料或元件变换成光信息,这种光纤又称作非功能型光纤(Non一FunetionalFiber),简称作NF。NF型又可分为三种结构形式:(a)透射式,(b)反射式和(c)天线式。主要采用多模光纤。(2)敏感功能型(FF型)既作为传输光通路又起将待测物理量信息变换成光信息作用的光纤称作功能型光纤(FunetionalFibre),简作FF。基本使用单漠光纤。按光纤在外界信息作用下光参量调制
5、的种类可分为光强度、相位、偏振态及波长(频率)调制型光纤传感器。按所计测的物理量或者所应用的光学效应分类为种类繁多,如前已提及的力、热、声、电、磁、核物理等,在此不再详述。本文拟分述以光Faraday效应、磁致伸缩效应为基础的电流、磁场光纤传感器及以P。。kles效应和电致伸缩效应为基础的电压、电场光纤传感器的原理、基本构造及目前水平。目前已有的电磁光纤传感器的简况综合归纳于表1。二、光Farday效应电流、磁场传感器比[2,3,6]将磁性光导介质置于磁场中,当线偏振光沿磁场方向通过该介质时光偏振面发生旋转,旋转
6、角与磁场强度成正比,这种效应称作光Faraday效应,如图2(的所示。设沿偏振光传输方向的磁场强度为H,光介质的光路长度为L,则Faraday旋转角θf为:θf=VeHL(1)式中Ve为Verdet常数,数值大小与符号取决于介质种类和光频率。图2(b)为光Faraday效应磁场光纤传感器构成图。由光源(LED)发射光,通过多模光纤射入具有光Faraday效应的光传感器部件,此部件由光停振器、光Faraday旋转元件及检偏器三部分组成。普通光通过偏振器变成线偏振光,此光通过光Fraaday元件产生正比于磁场强度的旋
7、转角,再通过检偏器变换成对应的光强度。这样就可以通过测定此光强度大小测定出磁场的强度。现已实用的具有代表性的光Faraday材料有:度特性优良的铅玻璃,Bi12SiO20、,Bi12GeO20、ZeSn单晶等反磁性材料和（Tb0-19Y0-81）2Fe3O12单晶外延薄膜等强磁性材料。使用这些材料在一20~85℃范围内可得到士0.5~1.5%的测量精度。使用反磁性材料的传感器可测1~1甲Oe的磁场强度,使用强磁性材料可使传感器小型化。光Faraday磁强传感器的具体结构有以下几种。(一)铅璃玻光学元件一体化传感器
8、如图3(a),这种传感器使用Ve值小、温度特性好的铅玻璃,将SiO2/TiO2介电体多层膜直接制作在铅玻璃中作偏振片和检偏片用,使整个光学元件一体化,使结构紧凑,可靠性高并有利于降低价格。这种传感器采用λ=0.85μmLED光源、pinPD光敏二极管、芯径100μm石英多膜光纤、磁敏光路长L=20mm,可测10~500oe(非线性<土0.25%),S/N)40dB(带域1
