光学传感技术精选(九篇)

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第1篇：光学传感技术范文

关键词 光纤传感技术;流量计量仪;研制;应用

中图分类号TE9 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2010)23-0156-02

光纤传感技术与控制技术在油田联合站应用研究,是利用光纤传感技术的高精度、非电、非接触式检测等特点,实现联合站多项工艺参数的检测;利用多级分布式控制技术和网络技术实现联合站主要工艺过程自动控制和远程监控指挥功能。近年来,我们通过在河南油田与双河联合站技术人员合作,在现有的光纤传感产品基础上,开发了光纤流量计量仪,探索一条用于我国油田联合站综合性生产过程的安全状态监测与评估新途径,对油田联合站综合性生产过程的安全状态监测与评估,在科学研究中也具有十分重要的意义。

光纤计量仪采用容积式流量计介质计量方式,由计量腔、转子体、传动机构、转换机构、计数显示机构、流量发讯机构、转速传感器、光电转换器等组成。当被测液体流经流量计时,流体的动压力使进出口间形成一个压差而推动转子旋转,随着转子的转动,流体经由计量腔不断地排出流量计。转子每转动一圈排出的液体体积是一个固定值,即排出量与转子轴转数成正比,通过传动机构和转换机构,经调整将旋转次数输送到计数显示机构,显示瞬时量和累计量,同时经信号发讯机构将流量信号送至二次表。

1 量发讯器

流量发讯器由转数传感器和光电转换器组成,其工作原理见图1,转数传感器通过专用联轴器与被测流量计转轴联接,传感器用的光学编码器将被测轴的转动转变成光脉冲信号,经光缆传送到操作室内的光电转换器,转变成方波电脉冲信号,再进入其他二次仪表。

2 转速传感器

转速传感器内有一个光学编码器,它由一根主轴与外界相联。转速传感器的光学编码器与光纤液位变送器的光学编码器很相似,也是由光码盘、轴及光纤探头组成,只是只有一个光纤探头。因为流量计只向一个方向转动,不需要判别方向。红外光从光电转换器中发出,经光纤光缆到达光纤探头,当光码盘转动时其齿孔对光进行调制,使光不断地被遮挡或通过,就形成光脉冲,通过光纤光缆传输到光电转换器。由于只有一路光纤探头,光码盘每转输出的脉冲数也比光纤液位变送器的要少,为每转输出100个脉冲,光纤探头的安装也相对要方便一些。其光学编码器的结构可参见图2。

3 光电转换器

流量发讯器的光电转换器与光纤液位变送器的光电转换器基本相同,也是放在控制室内,与现场的转速传感器用光缆相连,其电源为5VDC来自二次仪表。不同的是只有一套光源和光电转换装置,光缆采用二芯光缆。其采用的红外半导体光发射器LED是惠普公司生产的,光敏器件PIN是邮通讯元件硅光电池。LED发出的连续红外光经光学编码器调制后,变成光脉冲被PIN接收,变成电脉冲并经整形放大后输出。它输出的方波信号与传统的发讯器相同,可以与流量计算仪,转数显示仪表或计算机接口等配合使用。

4 光纤流量计量仪的测试数据

第2篇：光学传感技术范文

PCR生物芯片技术指的是通过采用光岛远位合成或微量点样的工作原理，对生物的大分子玻片、硅片等支持物上进行固定，以准确、快速、大信息量的对其细胞、蛋白质以及基因进行检测。其特点就在于高能量、微型化以及自动化。如在利用传统方法监测食品中的单核细胞利斯特氏菌时，需要花费大量的时间，但是PCR技术生物芯片在其中的应用的，大大的缩短了监测分析细菌的时间[2]。这也表明了生物芯片技术在能够的在短时间对生物分子的信息进行分析，从而让人们准确的掌握样品中的生物信息。不难看出，生物芯片技术在环境保护中的应用必然有着良好的前景。

2生物传感技术

生物传感技术指的是利用生物敏感元件与待测物质之间的相关关系以及相互作用，检出待测对象的具体成分，并将检测结果转换为电子信号的一种技术。在对物质进行检测时，由分子对已进入固定化生物敏感膜的物质进行识别，发生相应的生物反应之后，将生物信号转换为电信号，而后由相关仪表再对电信号进行放大、输出，最后由电子计算机处理后将待测物质的种类以及浓度显示在计算机屏幕上[3]。生物传感器的特点很多，首先，生物传感器的应用能够检测出生物物质的特异性和的多样性，其次，生物传感基础的操作条件限制少，能够在无试剂的条件下操作，较传统的生物学及化学操作方法来说，有着更简便、快速、准确的优势。如常见的酶传感器、微生物传感器以及生物电机传感器、半导体生物传感器等。在采用生物传感器技术对污水以及废水中的BOD含量、酚含量以及NO3-含量进行测定时，能够获得较准确的结果。运用生物传感技术分析大气中二氧化塘含量、二氧化硫含量以及氮氧化物含量时都有着较好的效果[4]。另外，生物传感技术还能用于检测水体中的赤潮、有毒物质、有机污染物等。由于生物传感器有着的使用方便、成本低、省时、易制作等特点，人们在对环境中的污染物进行监测时也多愿意采用生物传感器监测的方式。同时，生物传感器在环境监测中的前景也使得其商业化应用水平获得了一定程度的提高，如甲烷生物传感器、氨生物传感器、乙醇生物传感器等。

3流式细胞测定技术

流式细胞测定技术值得是对液体中排成单列的细胞进行定量分析和分选。其工作原理就是采用荧光染色的方式将待测样品制成悬液，而对这些悬液体进行施压力，使之进入流动室，以单列的方式进行细胞排列。经过流动室的喷嘴喷射后形成细胞流液，最后由荧光检测器对其进行检查。作为一种测量速度快、能支持多参数测量，集中了光学、电子学、流体力学、细胞化学、免疫学等多种学科和技术在内的高科技技术，能帮助人们更精确的进行细胞分析和细胞分选。目前，流式细胞测定技术的应用对象主要是用于监测海洋生物，在与同位素示意的技术相结合的基础上，能够对不同类别的浮游生物进行检测；在与DNA分子探针技术结合的基础上，能够监测和分析海洋异氧细菌群等；在与高效液相色谱技术结合的基础上，能够检测海洋生物中含有不同色素的浮游植物与海洋光学之间的关系。总的来说，流式细胞测定技术在海洋生物监测中的运用，大大的扩展了环境保护与环境监测的手段。

4微核技术

微核技术是一种新的生物学检测技术。该技术的建立基础是生物细胞染色体在环境污染因子的影响下而产生畸变并产生微核。微核的形成是由于内外部环境对生物的综合作用而引起染色体的结构发生异常，出现一些异常现象，如出现无着丝粒断片。在细胞分裂的后期，这些异常现象不能正常的朝着细胞的两极进行运动，而是停滞在细胞中央赤道板附近，而形成微核[5]。该技术微分子技术发展的推动下，在遗传学终点原理的基础上扩大了其检测的对象和范围，如细胞分裂、DNA修复损伤、基因扩增。但是该技术应用于环境监测中主要对象是动物的骨髓红细胞系、外周血淋巴细胞等。

5结语

第3篇：光学传感技术范文

关键词：应用现状；发展情况；光纤传感技术

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）04-0026-01

目前光纤传感器在多个应用领域都有着广泛的传播，并且起到了不错的促进作用。为了更好的发挥其功能特点，在今后的研究过程当中，应该增强技术创新与发展，从而促进光纤传感技术性能的发挥。以下就光纤传感技术的发展与应用进行探讨分析。

1 光纤传感技术的发展

1.1 光纤光栅传感器

近几年，光纤光栅传感器成为了国内外的研究热点。一般的光纤光栅传感器都是通过对布喇格波长的漂移量进行测量来实现对被测量的检测。此种传感器可以很方便的构成分布式的结构，其灵敏度相对比较高，能够代替其它结构类型的光纤传感器，可以实现对大型的构件的实时监测，在一根光纤当中可以进行多点测量。由于光纤光栅传感器的多种优势，在很多场合都可以进行测量。至今国内外对其进行研究的范围主要体现在几个方面：

（1）对传感网络技术、封装技术等时机应用的研究；（2）α槊舳雀摺⑿⌒突、低成本的探测技术的研究；（3）对能够同时感测温度变化以及应变的传感器的研究[1]。

1.2 阵列复用传感系统

利用时分复用、空分复用以及波分复用等方式，将单点的光纤传感器进行阵列化，从而实现空间当中多个点分时或者是同时传感。如今应用比较广泛的有基于干涉结构的阵列光纤传感系统和光纤光栅阵列传感系统。这种阵列式的光纤传感系统能够进行长距离大范围的多点传感，同时也是大规模的光纤传感器的主要发展方向。在今后的研究过程当中，阵列式光纤光栅传感器的主要研究方向为综合复用式的应用，比如说将干涉型检查速度快、结构灵敏度高的特点融入到光纤光栅传感系统当中，使其与光纤光栅的插入损耗低、易于光纤耦合以及高波长选择性能的特点相结合，融合之后的结构对于大规模组网传感系统非常适合。但是阵列式的研究方向对传感元件的稳定性、灵敏度等也提出了更高的要求。

1.3 分布式光纤传感系统

这种类型的传感系统是根据沿线光波分布的参量以及被测量随着时间与空间变化的分部信息，进行大范围的并且长距离的连续传感，这代表了目前光纤传感器的一个重要的发展方面。从不同的技术类型的角度来看，可以分为前向传输耦合、布里渊散射、自发拉曼散射以及后向瑞丽散射四种技术类型。不同种技术类型的光纤传感器有着各自的特点，应该根据实际的应用来进行合理的选择。另外分布式的光纤传感系统可以实现空间的测量连续性，这样就很好的避免了使用多个分立的传感元件，从而降低了生产成本。但是为了达到更高的测量精度以及更快更好的测量，还需要进行更深一步的研究，其主要的研究方向包括几个方面：

（1）新型的传感机理的研究；（2）降低测量时间、扩大测量范围；（3）增强系统的空间分辨力以及对信号接收与处理的检测能力；（4）实现单根光纤上多个参数的策略[2]。

1.4 智能化光纤传感技术

其智能化主要表现在实现信号的获取传输与处理的一体化；实现多个功能的智能化；实现计算机技术、光纤通信传感技术的融合。如今在多个应用领域都对智能化的光纤传感系统有着非常广泛的应用，比如说石油测井、声发射检测以及环境感知等。这项技术能够对其周围的环境进行自我的感知、判断、复性等多种功能，除此之外在土木工程、医疗、航空航天等多个领域也应用非常广泛。

2 光纤传感技术的应用

2.1 在工程方面的应用

光纤传感技术在工程方面得到了非常广泛的应用。主要表现在对对布里渊光时域反射、拉曼光时域反射、光纤光栅等多种技术的应用。其中布里渊散射在对长距离的分布式应力进行监测时得到应用，另外在对大中型建筑工程的稳定性进行监测的时候也有所应有；拉曼光时域反射在对建筑物的火灾与渗透监测时得到应用；光纤光栅技术在对隧道以及桥梁的重点部位进行监测是应用较为广泛。

2.2 在电力领域方面的应用

伴随着人们对电力的要求不断提高，传统的传感器已经达不到人们的基本需求。以光纤传感技术为背景，构建的光纤电流传感器能够极大地提高电网的稳定性能，并且顺应了智能化电网的发展趋势，降低了供电损耗，提高了供电的质量，响应了国家节能减耗的号召。但是由于光纤传感器对外界的温度有着很强的敏感性，因此对其耐温性能有待进一步改良。

2.3 其他方面的应用

光纤传感器在石油工业、医用领域、复合材料领域等方面也有广泛的应用。在石油工业方面，基于反射光强的泄露和液位以及传输损耗调制的传感器，部分已经流入市场来用于对石油勘探的光纤加速度传感器以及光纤压力传感器在多个国家已经进行了大量的研究；在医用领域方面，对以激光多普勒频移技术为基础的血液流速进行测量。

3 结语

光纤传感器的优势在光电技术领域逐步的凸显出来，实现了与光纤通信技术、计算机技术等的融合，在多个新型应用领域都有着非常广泛的使用。以光纤传感技术为基础的各种传感器也得到了广泛的发展，所以，为了进一步促进光纤传感技术的发展，就必须不断地进行创新研究，根据实际情况，研究出更好的光纤传感器。

参考文献

第4篇：光学传感技术范文

关键词：光纤光栅传感器；传感技术；桥梁健康检测

引言

重大的桥梁工程都是百年大计，但是由于各种外界环境的侵蚀，荷载的长期效应等和一些不可避免的的长期效应将会不可避免的导致结构和系统的作用能力下降，特别是在极端条件下可能引发事故。因此，为了更好的保证适用性和耐久性，对重大的桥梁工程都要增设长期的检测系统，长期的检测结构的安全服役状况，并且为结构的损伤演变提供了有效、直接的手段，还可以实时的提供检测数据，从而避免了重大事故发生。

1 桥梁主要缺陷和结构健康监测内容

1.1 桥梁主要缺陷

（1）桥梁外观的缺陷；

（2）裂缝问题：施工期间的各种预留的缝隙以及收缩缝，在桥梁的使用长期的工程中会引起锈蚀和冻融的循环作用引起裂缝的不断增大，盐类以及酸的环境引起裂缝等；

（3）内部缺陷；

（4）混凝土碳化、中性化；

（5）钢筋锈蚀。

1.2 桥梁结构健康监测内容

（1）桥梁处于正常运营阶段时的受力与物理状态；

（2）大型桥梁的环境；

（3）主要受力构件的耐久性表现；

（4）非主要构件的和一些附属的设施的工作状态；

2 光纤光栅传感器简介

2.1 光纤光栅传感器的结构[2]及工作原理

光纤光栅是利用光纤中的光敏性[3]制成的。光敏特性是指激光束射在光纤上时，其折射率就会在空间上有相应的变化值。而在芯片内部形成的空间相位，其本质就是一个带宽比较小的滤波器或反光镜。这时，通过光纤光栅的光敏特性在芯片里写入了一段光栅，当光源的光通过光纤时，在光栅处有选择的反射，其余的部分透射，再在下一个具有不同的波长的地方再次的反射。由此当外界的温度，应力等量变化时，导致的芯片里的折射率随之改变，这时反射的波长也发生了变化，通过两次的前后变化值，就可以获得测试物理量的变化情况。

2.2 光纤光栅传感器的应用特点

光纤光栅传感技术是直接对很多物理量感应[4]，而且可以感应温度和应变等微小量值的变化，还可以实现多个物理量同时测量，应用的范围及其的广泛。同时FBG还可以实现分布式的矩阵形式，从而实现多点同时提取数据和信号，达到我们对桥梁的预警和诊断的目的。其主要技术应用优势[5]包括：

（1）抗各种磁场的性能强，耐久性很好；

（2）测量的精度高，稳定性和可靠性好，可实现对大型工程的测量；

（1）数据的集成性很强，便于成网和通信技术以及无线传感相结合；

（2）重量体积小，便于安装和测试方便，特别的适用微小应变和温度的测试；

2.3 光纤光栅传感器在国内外实际工程中的应用

目前，由于高智能材料和传感技术的发展，光纤光栅更凸显优势，在土木工程的应用领域越来越热。国内外有很大光纤光栅传感技术的的成功案例，并且检测的数据结果比较理想。早在1989年的时候美国的布朗大学（Brown University）教授门徳斯（Mendez）第一个提出了此技术用于桥梁结构检测的可能性。之后的很多国家如，加拿大、德国、英国、日本、瑞士等一些比较发达的国家，在各种结构包括桥梁上的应用不断取得令人鼓舞的进展，其实，我国的光纤光栅传感技术的发展在90年代就开始了，清华大学、同济大学、重庆大学以及哈尔滨工业大学等知名高校对其进行了理论的研究和测试，取得较好的结果。现在，桥梁的长期检测中光纤光栅传感技术应用最为广泛。

2.3.1 国内应用案例

（1）哈尔滨四方台松花江大桥

此桥梁的检测采用了光纤光栅传感器，全桥有60个传感器，已经检测3年的数据，实现了传感器的成活率90%以上的测试。在桥梁的各种运营阶段提供了可靠的数据。

（2）南京长江三桥在基础的深水检测中安装了397个光纤光栅应变计和自补偿的温度传感器，此桥是目前在施工控制中安装有最多的应变计和温度传感器的桥梁。也给长三桥的控制带来了良好效果，带来了社会和经济效益，具有很重要的推广价值和意义。

2.3.2 国外应用案例

（1）1993年加拿大的Beddington Trail 大桥是最早用光纤光栅传感器进行检测的桥梁之一，全桥安装了16个传感器进行长期的检测。

（2）德累斯顿大学的 Meissner 等人将布拉格光栅埋入桥的混凝土棱柱中，测量荷载下的线性响应，并用常规的应变测量仪器作了对比试验，证实了光纤光栅传感器的应用可行性[6]。

4 结语与展望

光纤光栅的传感技术具有独特的优势，不仅是测试的精度，耐久性、稳定性等，更重要的是灵活与方便，以及国内外的应用和研究表明，光纤光栅传感器的温度和应变的测量切实可行的。它的出现彻底的改变了传统的在土木工程中的检测手段，进入了自动化和智能化的研究新领域。另外，新型传感器的成活率一直受到工程界的广泛关注，日后，光纤光栅传感器的发展会愈来愈完善，更好的服务其过程结构应用，把原来没有生命力的传感器在桥梁的检测中赋予了感知和自诊断能力，对于桥梁的施工和长期的检测具有重大意义。随着光纤光栅传感技术的广泛应用，随着此技术的成熟和器件的不断提高，不久的将来光纤光栅传感器必将在海洋、化工、医学、水利水电、土木工程等各个领域有更为广泛的应用。

参考文献：

[1] 周智，欧进萍.光纤光栅传感器及其在桥梁结构健康监测中的应用.

[2] 廖延彪，光纤光学，北京：清华大学出版社，2000：182-183

[3] 王建平. 光纤光栅传感器在土木工程结构健康监测中的应用. 贵州工业大学学报（自然科学版），2004，33（1）：77- 80.

[4] 赵仲刚，光纤传感与光纤通信

第5篇：光学传感技术范文

关键词： 光纤传感器； 拉曼散射； 电力电缆； 载流量/温度

中图分类号： TP 212文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.01.015

引言 随着经济社会的发展，对电的需求量越来越大，水电、火电、可再生发电系统、城市变电的大规模建立，电缆输电任务随之加大，如何来保证电缆的安全正常有效的运营，保障电缆资产价值，成为一种迫切需要解决的问题。电缆运行不安全因素主要为电缆在运行时电缆发热，导致电缆温度过高致使电缆发生火灾。光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而另辟新径的一种崭新的传感技术。光纤传感具有抗电磁干扰、灵敏度高、安全可靠、耐腐蚀、可进行分布式测量、便于组网等诸多优点。目前国内外研究机构用光纤传感监测技术对电力电缆在线测温及载流量[1]的安全监测的研发和应用大多还处于初期研究阶段，应用也基本停留在对个别设备和某个部件的监测上。比如Micron Optics公司推出的光纤点式测温系统实现对风力发电机组的温度检测。基于拉曼分布式光纤温度传感技术的分布式光纤载流量/温度安全监测系统，不仅具有普通光纤传感器的优点，而且还具有对光纤沿线各点的载流量/温度的分布式传感能力。利用这种特点可以连续实时测量光纤沿线几十公里内各点的温度。定位精度≤1 m，测温精度可达1 ℃，非常适用于高压电力电缆的载流量/温度传感监测的应用场合。1系统工作原理分布式光纤载流量/温度安全监测系统由拉曼分布式光纤测温传感器、感温光缆、载流量软件以及电流记录仪组成。拉曼分布式光纤测温传感器[24]能对电力电缆全线温度进行周期性实时在线监测，对极易出现故障的电缆接头进行重点监测。该项技术利用光纤作为传感器，将光纤直接敷设在被测物体表面，在一定条件下被测物体各个位置的温度信号会以光波的形式回传到光纤端部，最终被提取并显示出来。这种技术只需一根或几根光纤就可以监测长达数十公里的线型设备或点式设备。光纤的拉曼散射与温度有着密切的关系。依据光时域反射测定法[5]，将短促的激光脉冲按精确的时间间隔注入光纤之中。在同一根光纤中，散射光的强度随时间呈现出指数衰减。如果知道光在光纤中的传播速度，就能计算出距离。从该指数衰减的偏差就能得出温度。光纤既是该信号的生成器，又是该信号的渠道。反射光被分流到传感器中来加以解码。在光纤测温系统连接的监控屏上能同时显示距离和温度数据。利用此技术把光纤与被测高压电缆采用接触方式安装，测出高压电缆表面温度，根据表面温度，电缆结构，辐射环境等因素，精确计算出电缆的线芯温度，通过线芯温度计算出通过线芯的载流量，并给出电缆对应分区的最高温度，电缆的运行温度和电缆的负荷水平，对温度异常点进行报警。光学仪器第35卷

第1期杨斌，等：分布式光纤载流量/温度安全监测系统的研究

第6篇：光学传感技术范文

光学之芒,灿烂辉煌。在光学的领域里,他头顶着太多的“光环”,却没有丝毫松懈,肩负着无限重任,但始终沉着、坚毅。他渊博宽厚,抱定赤子之心,十余载春秋献身中国光学领域,他就是首都师范大学物理系研究员、系科研副主任张岩。

九天揽月鸿鹄志 步步为营创辉煌

在通往科学高峰的路上,张教授一路前行,品尝着希望与困难,交融着荣耀与汗水,深造期间,他用不懈的努力换来了中国光学科技前沿领域的重大突破。读研期间,他同导师刘树田教授一起在国内率先开展光学分数傅立叶变换的研究。为利用光学分数傅立叶变换进行信息处理铺平了道路。在中科院物理所攻读博士学位期间,开拓了分数傅立叶变换在光学信息处理领域中的应用,被评价是国内在现代光学技术科学领域研究工作中的优秀成果具有国际先进水平。

1999-2001年,他获得日本学术振兴会博士后基金资助,在日本山形大学工学部从事生物成像研究,被应用在实际的仪器上。2001-2002年,他在香港理工大学电子工程系从事光纤气体传感器研究。其研究内容被收录在《光纤传感技术新进展》一书中,已出版发行。2002-2003年,他在德国洪堡基金的资助下在德国斯图加特大学应用光学研究所任洪堡研究员,从事数字全息重建算法的研究,提出了利用相位恢复算法来进行数字全息重建的新方案,引起了同行的重视和肯定。这部分内容作为美国Nova Science出版社的新书《New Developments in Lasers and Electro-Optics Research》中的一章,已经出版发行。

2003年,他进入首都师范大学物理系工作,先后获得了北京市科技新星计划,北京市留学人员择优资助等人才项目的资助。作为北京市“太赫兹波谱与成像”创新团队的核心成员,主要从事太赫兹波谱与成像,太赫兹波段表面等离子光学和微纳光电子器件设计研究。他提出的多波长成像方法得到了美国Rice大学太赫兹研究者Mittleman的认可,被评价为不仅可以有效地增加成像范围,还可以提高信噪比。多篇论文被太赫兹领域的虚拟期刊收录。并于2007年和2009年分别到美国伦斯特理工大学和德国康斯坦茨大学进行访问研究。

欢声震地 惊退万人赢战绩

第7篇：光学传感技术范文

微型光谱仪的实现可以应用多种技术，目前常用的方法包括：采用新型滤光技术制作微型光谱仪；利用光纤的化学传感性制成光纤探针进行光谱分析；使用微细加工制作集成式微型光谱仪等。

2采用新型滤光技术的微型光谱仪

声光可调滤光片(AOTF)是一种微型窄带可调滤光片，是光谱仪微型化的一个发展方向，它通过改变施加在某种晶体上的射频频率来改变通过滤光片的光波长，而通过AOTF光的强度可利用改变射频的功率进行精密、快速的调节。它的分辨率很高，目前可以达到0.0125nm，没有可动部件，波长调节速度快、灵活性高。

美国Brimrose公司和JetPropulsion实验室联合设计一种微型电晶体NIR光谱仪。这种基于AOTF的反射型近红外微型光谱仪主要造用于航天领域，使用发光二极管(LED)阵列作为光源，光纤作为光波传输介质，该光谱仪重量<250克，尺寸小9.2×5.4×3.2cm，超快速(4000波长/秒)，高可靠性并经过美国国防核子局的防辐射测试。

美国HughesSantaMara研究中心研制的线性楔形光谱仪(专利产品)，是由一个微小模状滤光片和一个阵列检测器组成，可以对多个光谱频带进行检测。模形光谱仪内有一个模形的多层薄膜介电材料构成的干扰滤光片，滤光片与两维检测器紧临，这样根据滤光片在不同位置的带通，每一列检测器可以接收不同光谱波段的能量，所以单独一个模形光谱仪可以覆盖很宽的光谱范围。模形光谱仪的光谱范围受到滤光片、探测器材料特性的限制，还需要使用多种阻挡滤光片。工作光谱范围分布在可见光和近红外区(从400nm到1030nm)。该光谱仪在实验中还获得了线性色散率，色散率与点带宽无关，而且滤光片可以根据检测器阵列设计成不同的几何形状。

3利用光纤制作的微型光谱仪

光纤传感器的主要特点是具有很高的传输信息容量，可以同时反映出多元成分的多维信息，并通过波长、相位、衰减分布、偏振和强度调制、时间分辨、收集瞬时信息等来加以分辨，真正实现多道光谱分析和复合传感器阵列的设计，达到复杂混合物定分析对象的检测，这对电传感器和声传感器而言是望尘莫及的。光纤的探头直径可以小到与其传播的光波波长属于同一数量级，这样小巧的光纤探头可以直接插入那些非整直空间和无法采样的小空间(如活体组织、血管、细胞)中，对分析物进行连续检测。

OceanOptics公司的MichaelJ.Morris等人研制一种紧凑级联光纤DIP探针微小光谱仪，该系统的设计是使用单股光纤以获得高分辨率光谱信息，对于决定液体的吸收、发射和散射，或测量pH或有毒金属浓度使用固定指示材料。光谱仪的模式限制光学设计得到很高的光通量，常规应用中可以使用50μm的光纤。

微型光纤光谱仪还有美国Stwenchristesen等人研制的便携式光纤拉曼光谱仪，便携式光纤拉曼光谱仪可以对化学试剂鉴定盒进行非接触分析，它包括二极管激光器、中阶梯摄谱仪、电荷桐合器件(CCD)检测器和一个带有滤光涂层的光纤探针，这种光谱仪被用来分析密封玻璃容器中的化学试剂和其它有毒化学物。拉曼光谱是通过使用一个带有25m光纤的EICRamanProbe探针获得的。探针输出功率在紫翠玉激光器下为80mW，而二极管激光器为137nW。这种微型拉曼光谱仪也可以用T单个活细胞的分析。

4集成微型光谱仪

利用MEMS和MOEMS的微加工技术也可以制作出微型光谱仪。GayiinM.Yee等人利用微机械加工方法直接在CCD成像器件上制作衍射光栅构成集成式微型光谱仪，得到的光谱仪系统衍射效率可以达到63%，色散率为1.7mm/像元，分辨率为74.4。

IMS(InstituteofMicrotechnology，UniversityofNe11chatel，Switzerland)制作了一种基于光MEMS技术的微型傅里叶变换光谱仪(FTS)，它用一种由静电驱动的电梳执行器来完成微镜的扫描运动。测量得到执行器在38.5mm位移下的非线性为±0.5mm，在消除非线性后得到校正光谱，光谱重现率为±25nm。相位校正后在633nm波长下测量得到光谱仪的分辨率为6nm。

5结论

第8篇：光学传感技术范文

关键词:光纤传感器;动态范围;法拉第效应;脉冲电流

中图分类号:TM452.94

0 引 言

随着电力工业的迅速发展, 电力传输系统容量不断增加,运行电压等级越来越高,不得不面对棘手的强大电流的测量问题。一次仪表和二次仪表之间的电绝缘和信息传递的可靠性要求可能使传统的测量手段无用武之地。而在高电压、大电流和强功率的电力系统中,测量电流的常规技术所采用的以电磁感应原理为基础的电流传感器(简称为CT),暴露出一系列严重的缺点:由爆炸引起的灾难性事故的潜在危险;大故障电流导致铁芯磁饱和;铁芯共振效应;滞后效应;输出端开路导致高压;体积大、重量大、价格昂贵;精度无法做得很高;易受电磁干扰影响。传统CT已难以满足新┮淮电力系统在线检测、 高精度故障诊断、电力数字网等发展的需要将光纤传感技术引入到电流检测中的光纤电流传感器(简称 OCS)成为解决上述难题的最好方法。

自从1973年, A J Rogers首先提出光学电流传感的想法以来,光纤传感技术已发展了20多年。与普通电磁互感器相比,在高强电流测量应用中光纤电流传感器具有以下优点[5]:光纤电流传感器没有磁饱和现象,也不像通常的电磁互感器的动态工作范围受磁饱和效应的限制;光纤电流传感器抵抗高电磁干扰,对环境的要求低;光纤电流传感器可以在较宽的频带内,产生高线性度响应;光纤电流传感器体积比较小,安装使用比较方便等。

总之,光纤电流传感器具有许多优点,尤其是它的绝缘性能好,体积小,成本低,并且频带宽,响应时间短,可同时用于测量直流、交流及脉冲大电流,因此可望成为高压下测量大电流的理想传感器。

1 传感器原理及光路设计

光纤电流传感器利用磁光材料的法拉第效应,在光学各向同性的透明介质中,外加磁场[WTHX]H[WTBZ]可以使在介质中沿磁场方向传播的平面偏振光的偏振面发生旋转[5[CD*2]7],偏转角度通过检偏器可确定。其原理如图1所示,B为两偏振器夹角,θ为平面光通过磁光晶体后发生的偏转角。

其旋转角Е扔牍獯播的磁光材料上的磁场中强度[WTHX]H[WTBX]和磁光材料的长度L成正比:当[WTHX]Η[WTBX]一定时,旋转的角度θ为:

式中:v为verdet常数;[WTHX]Η[WTBX]为磁场强度;L为磁光玻璃长度。通电长直导线磁场公式:

再由式(4)可得:当P=P0时,I┆max=2πrB/vL,只要角B越大,所能测的最大电流值也越大,所以在实验中常用增大角B的办法来增大其测量范围。但在实际中,角B的增大到一定值后会使光路的调焦变得更困难,并使小信号更难测量,在以往实验中一般取B=45°或相差不大的值。г诟檬笛橹醒∮2 mW的激光器作调整光源,在第一次调焦时把磁光晶体的出射光投到1 m外的地方以便消除可能出现的双折射,并用光学胶密封各接合面,使光路调整更容易操作,因此角B选择了80°。上式中,夹角B在传感器完工后是定值,因此只要测得P,P0值就可得到电流值。

在光路设计中,采用图2所示结构。暗灰色的箭头线表示光线在传感器中的传输路径:光源发出的光经带自聚焦透镜的光纤进入传感器,通过蒸镀反射膜的直角棱镜的反射改变为线偏振光进入磁光晶体,偏振面受磁场调制的线偏振光经过检偏器和对应的直角棱镜后通过另一带自聚焦透镜的光纤进入光电探测器。

2 系统结构

由式(4)可知,获得P0,P即可得到被测电流值I。系统构框图如图3所示。

其中,激光器采用恒流驱动,提供32 mA 恒定电流。通过出光功率自动控制电路,实现光功率反馈,将探测到的光电信号与激光器的驱动电流比较,以达到及时调整激光器工作光功率抖动的目的。

光检测及放大部分电路实现了光/电转换,并且对电信号放、滤波,以及分离直流信号和交流信号。原理框图如图4所示。

[JP2]信号采集处理部分实现对直流信号和交流信号分别采集,进行处理。记录下未通电流时的直流信号U0,作为基准值,UХ直鹞带有电流直流、交流信息的检测值,经过运算分别出被测电流I 的直流分量和交流分量。[JP]

3 实验结果及分析

[JP2]在实验的传感头内孔径D1=2 cm,外环直径D2=5 cm,底座(即图2中的plinth)厚度h=1.1 cm;准直┢魇仟用能通过635 nm红光的光纤和聚焦透镜制成;磁┕饩И体厚度d=2 cm;verdet常数v=-1.17×10-3rad/A;光源输出功率为1 mW;实验中分别用连续电流和脉冲电流对其进行检测。实验时把器件一端接在光源输出端,另一个接在输入端,并把通电导线从缺口横穿过去就可开始测试。

3.1 用连续交流电测实验

在用连续交流电测实验中通过读取光纤电流传感器输出的电压与用标准器件测得的电流进行比较,并把所得的电压值等效为光纤电流传感器的电流值。在实验中标准器件使用的是电流互感器。表1是在某测试机构中测得的数据。

第一组第二组第三组

电流 /kA电压 /V电流 /kA电压 /V电流 /kA电压 /V

将表1中的电流值作为横坐标,电压值作为纵坐标绘制成曲线,如图5所示。可以看出,电压与电流是近似成正比的。

从图5 的数据可看到在100~3 000 A范围内,系统具有良好的线性度。

3.2 用脉冲电流测实验

由于一般测试机构中很少测试上万安的交流电,┩6和图7是在某测试院中用脉冲电流实验时在示波器上显示的波形图,上面曲线是通过光纤电流传感器得到的波形,图中曲线是通过电流互感器得到的波形。

图6是用B=45°、峰值为32 kA的脉冲电流实验得到的图像。从图中可看出光纤电流传感器在10 kA左右的波形突然向下凹陷。经检验是所测电流超过其最大测量范围所致,即出现饱和失真。

图7是B=80°、峰值为32 kA的脉冲电流实验得到的图像。在图中,用光纤电流传感器测得的电流波形曲线没有失真,并且与用电流互感器测得的波形线较好的吻合,说明32 kA的电流在其动态范围之中,并且响应时间小于10 μs。

综合上述实验,系统在小电流测试时具有较好的线性度和稳定性。在大电流测试中,第一次测试出现了饱和失真,第二次用增大角B的方法解决了失真的问题,并且动态范围较大,响应时间短。其实,由式(4)还可看出,通过增大verdet常数v,或磁光晶体长度L还可以使测量范围变得更大,但这就需要重新定制、加工磁光[LL]晶体,使成本更高和制作时间更长。故第一次出现饱和失真后选择了增大角B的方法。

4 结 语

在此用磁光晶体作材料,以法拉第旋光效应为原理设计和制作了光纤电流传感器的传感头,并用所设计的传感头搭建了实验系统和进行大电流的检测实验。实验结果表明,该设计的传感器在高电压下能较准确实现32 kA电流的测量。而且该器件结构简单、使用方便、响应时间短,具有较好的实用价值。

参 考 文 献

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[4]石顺祥,张海兴,刘劲松.物理光学与应用光学\[M\].西安:西安电子科技大学出版社,2000.

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[9]张涛,袁心平,谢兴盛.大学物理教程[M].成都:电子科技大学出版社,2006.

第9篇：光学传感技术范文

关键词：微机械加工技术；传感器；应用

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.06.025

0 引言

微机械加工技术的兴起要追溯到上世纪末，其快速发展的原因主要是因为微机械加工技术的使用涵盖了多个学科，这也是它能够广泛被公众关注的原因。其中有物理学、光学、力学以及生物学等等，这些学科都为微机械加工技术提供了一定的理论支持，使其在成熟发展后能够运用于各个领域，如汽车制造、航天技术、生物化学工程等。作为本世纪初的新兴技术，微机械加工技术由于其特有的特殊性，也逐渐体现出它在各个领域的重要性，因此收到了社会的广泛关注和重视。不仅是我国，其他发达国家也对微机械加工的研究投入了大量了人力和物力，但在研究过程中也难免存在一些问题，通过本文对此技术的分析和研究，希望为这一技术的应用和发展提供一定的借鉴意义。

1 微机械加工的基础技术

1.1 LIGA技术

LIGA技术在过去的几十年中始终是人们熟知和青睐的重要技术，它能够对金融材料进行加工，也能够对陶瓷、塑料等非金属材料进行加工。由此看出，LIGA技术是新兴的三维加工技术，并且其加工特点主要以“高深”而闻名，加工的深度能够达到数百微米。LIGA技术主要以加速器作为加工基础，将其产生的X射线刻在光敏聚合物层之上，形成部件的图形，再通过电场把金属迁移到已经形成的模型中，从而完成金属结构。

1.2 微放电加工技术

微放电加工技术也有其独有的特点，即加工阻力与其他技术相比都要小，不但能够加工导电性材料，还能够加工半导体材料。因此，微放电加工技术经常应用于微机械构件的制造。不仅如此，微放电加工技术还能够解决银钨丝在机床上成形的关键问题，并且随着多年的研究和发展，微放电技术在加工的精度和微细程度方面都实现了较大的突破。

1.3 腐蚀技术

腐蚀技术主要涉及到三个方面：第一，湿法腐蚀技术。这一技术以电化学为基础，能够精准地控制腐蚀深度，主要用途于制作硅结构。第二，干法腐蚀技术。其特点是具有较高的分辨率和精准度，主要涉及到等离子体腐蚀。第三，各向异性腐蚀技术。通过腐蚀液在硅各个晶向上产生的有差异的腐蚀速度，并以此作为基础，制作微结构或者微型零件。

2 微机械加工技术在传感器当中的应用

2.1 石英加速度传感器

石英加速度传感器，最早生产与法国，这种传感器是由法国的LET1制造的，该传感器有效的利用了微机械的加工技术，使得石英加速度传感器除了有典型的尺寸之外，还有典型的设计外观。在石英加速度传感器当中，传感器的厚度一般为124um，传感器自身的梁宽与梁长分别能够达到5-8um以及2mm，在石英加速度传感器当中，质量块为2mm*2mm，探测器的间隙则为50um，线圈的厚度一般为3.5um，对于电机的制造，则利用机械掩膜蒸发来制造。在石英加速度传感器当中，其输出方程一般用V0/V1=K0+K1ax+K2a2x+K3a3x+Kyay+Kzaz+e来进行表示，在本公式当中，K1用来表示比例因子，而偏置则用K0来进行表示，而本公式当中的ax、ay、az则分别用来表示加速度分量。

2.2 热红外位传感器

在热红外传感器的制作过程当中，我们能够看到这种传感器对于微机械加工技术进行了集中的使用，这种传感器的阵列通过在一种悬臂上面来进行构成，这种悬臂的长、厚、宽应支持3mm、10um、440um。在悬臂的自由端，应设置膜层，并确保该膜层有一定的吸收性能，而在悬臂的另一端，则应设置热电偶。当红外位传感器被放在辐射下面时，悬臂的自由端能够吸收热量，而热量则通过悬臂来进行传到，从而被热电偶阵列检测出来。

2.3 角度传感器

本传感器的敏感部分，是由两个扭转杆支撑的悬浮可动微机械摆，一般来讲，角度传感器的制作过程为：在硅片上通过LPCVD的方法来沉积多晶硅作下电机，在沉积完成之后，还需要再沉积一层S1O2来作为牺牲层，此后，将沉积的较厚的多晶硅作为悬浮结构，将牺牲层腐蚀掉，利用这种方法来得到想要的结构。但是，如果存在一定水平的磁场，或者是存在恒定磁场的时候，悬浮的多晶硅结构往往会转出特殊的角度，这样就能够有效的测出电压的传输形式。

3 结束语

如今，随着时代的进步以及科技的不断发展，微机械加工技术已经在各个行业当中得到了充分的应用，其涉足之广，包含传感器、微电子机械制作、微机械结构加工等等，作为一种新兴技术，微机械在硅平面的基础上得到了长足的发展，微机械加工技术与传感技术的结合，也得到了广泛的应用。本文从实际出发，并将微机械加工技术与传感技术的结合作为视角，阐述了微机械加工技术在传感技术的应用，并对这些应用进行了一些研究，在此基础上得到了些许结论，希望能够在日后起到指导实践的效果。

参考文献：

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