光纤电流传感器

2001年12月 传　感　技　术　学　报 第4期激光供能的光纤电流传感器①张涛,颜研,申烛,罗承沐(清华大学电机系,北京　100084)摘要:本文论述了一种用激光供电的混合式光纤电流传感器(EO CT),它的额定电压为220kV,额定电流为1200A.本文对这种混合式电流传感器的原理、样机的结构方案进行了研究,并进行了系统整体测试.关键词:激光供电;电流传感器;电磁干扰;自动温度控制中图分类法:T P212.14　文献标识码:A　文章编号:100421699(2001)04202712061　引　言 电流传感器是电力系统中最重要的高压设备之一.它被广泛地应用于继电保护、系统监测、电力系统分析之中.随着现代电力系统的发展,尤其是电网输电电压等级的提高,迫切需要优质价廉的新型传感器代替传统的电磁式的电流传感器.国外在60年代初就开始了光学电流传感器的研究,由于光纤技术和传感器技术的发展,目前光纤电流传感器的研制开发已日趋成熟和完善,和传统的电磁式电流传感器相比,具有以下优点:(1)无绝缘油,不会有安全隐患;(2)没有磁饱和现象;(3)无铁芯,因此没有铁磁共振和磁滞效应;(4)测量带宽和精度可以达到很高;(5)体积小,重量轻,造价低廉.光学电流传感器分为无源型和有源型两种.无源型电流传感器以利用法拉第磁光效应的装置为主,它们最大困难是其本身的光学系统折射效应随环境因素变化而变化,光学传感头中存在着各种形式的双折射,影响了整个系统精度和稳定性.而有源型电流传感器在高压部分没有采用特殊的功能性光纤和其它光学元件,只是使用了有源电子电路,因此这种电流传感器容易实现并且有长期的稳定性和高的可靠性.但是,电源供给问题却影响了混合型电流传感器的更大范围应用.为此,本文采用了光电池作为系统的电源.光电池的能量由大功率半导体激光二极管提供.目前ABB,R IT Z公司有类似的产品,额定电压72～765kV,额定电流50～4000A.①来稿日期:20012042022　系统的组成和工作原理2.1　系统电源电路:电源供应部分是系统的核心部分之一,由于这种光电式电流传感器的传感头安装在高电位侧,并且完全是由电子线路构成的,因此必须有相应的电源提供给传感头的电子线路.在系统框图图1中,激光器、光电转换器和DC 2DC 变换器构成了系统的电源供应部分,其中,位于低电位侧的激光器将光能量通过光纤传递到传感头部分的光电转换器中,光电转换器的输出经过两组DC 2DC 变换器后,产生5V 和±12V 两组电源输出提供给后级的电子线路.在光电池电源系统里,激光二极管(LD )作为光源,提供驱动光电池(PD )的光功率,根据系统总功率需要选用合适的光功率和输出效率的激光二极管后,可以非常满意的得到光电池的恒定功率和电压输出.图1　系统原理框图2.1.1　光电池实际应用中需要注意的一点是因为光电池是非线形器件,存在最大功率点和阻抗匹配问题,需要设计匹配的DC DC 转换电路使光电池进入大功率电压区工作,本文设计了一种自举电路,可以较好的解决这种问题,能使光电池稳定工作在5V ,220mW 的工作点上.图2为光电池电源系统测试线路图.通过改变LD 的驱动电流来调节光电池的输出功率,可以得出如图3,从而看出在不同的光功率输入下,光电池在不同的匹配电阻上输出不272 传　感　技　术　学　报 2001年同的最大电功率,在不计传输损耗的情况下,其输出最大电功率为LD 输出光功率与LD 转换效率和PD 转换效率的乘积.图2　光电池测试线路示意图图3　LD 驱动电流为1090mA 时光电池负载特性如图3中,光电池工作点为(44mA ,5.0V ),输出最大功率为220mW ,匹配电阻为1118.2.1.2　激光二极管(LD )的驱动LD 的发光波长和输出功率都随温度变化而变化,如不采取措施,将影响系统的稳定性,为此本论文采取了半导体致冷技术,采用帕尔贴致冷器,设计了自动温度控制电路,使LD 工作在20℃左右的条件下,输出恒定光功率.控制电路原理如图4所示.电路中R 1、R 2、R 3和R T 构成温度敏感电桥,在R 1=R 3的情况下,选取不同的R 2的值可以设定不同的基准温度,以保证LD 正常工作温度,满足系统的要求.热平衡时,制冷器控制热敏电阻的温度,从而使得R T =R 2,V 1=V 2,电桥处于平衡状态,差放电路输出V 3=0,因此比例2微分2积分(P I D )电路输出恒定的电压值,使制冷器得到一恒定的电流,用于补偿LD 注入电流引起的热沉温度的升高,从而保持激光器芯片温度的恒定.当热敏电阻探测到热沉温度升高时,R T 下降,感温电桥平衡状态被打破,给出一误差信号(V 1-V 2),该误差信号经放大后引起P I D 电路输出电压V ou t 上升,制冷电流增大,从而使热沉温度下降,R T 升高直至V 2=V 1,电桥恢复平衡,LD 也恢复到原来的温度.同理,当LD 温度下降时,控制电路会减小制冷电流以保持LD 工作于设定温度.在LD 温度很低时,控制电路可以通过PN P 管提供反向加热电流,提高LD 热沉的温度,使LD 恢复正常的工作状态.372第4期 张涛,颜研等:激光供能的光纤电流传感器 图4　自动温度控制原理图2.2　高电位侧的传感头: 传感头的主要作用是将电流信号通过采样线圈转换成为电压信号,并通过多路信号A D 采样系统将电压信号转变成为数字信号,通过发光二极管(L ED )将时钟和数据信号通过光纤传递给低电位侧的信号接收部分.A D 转换电路是整个传感头电路的核心部分,由于传感头的特殊要求,A D 转换芯片应该具有以下基本特征:(1)微功耗　(2)采样率足够高　(3)串行A D 转换　(4)电压双极性输入　(5)高分辨率.综合上面考虑后,本文采用的是AD 公司出品的AD 7895芯片.这种芯片的最大功耗仅为20mW ,转换时间为3.8Λs ,是完全符合本系统的功耗要求.2.3　地面低电位侧的信号处理 低电位侧的信号处理部分可以分为模拟通道和数字通道两个部分.从高电位侧传递下来的两路串行数字信号(时钟和数据信号)经过放大整形电路的处理以后,在逻辑控制电路的作用下,将四种采样信号(计量用电流信号、保护用电流信号、电源电压监测信号和传感头的温度信号)分开,经过D A 转换器还原成为模拟信号;同时,通过PC 机信号采集卡将数字信号采集到计算机里进行数据分析和处理.图5　典型D A 转换电路图如图5为典型一路D A 转换电路.2.3　系统测试结果及误差分析系统测试数据总体上可以分为比差测量和角差测量两个部分.可得到如图的混合式光472 传　感　技　术　学　报 2001年纤电流传感器的输入-输出比差和角差曲线.如图6是比差曲线,图7是角差曲线.图6　输出比差曲线图7　输出角差曲线系统测量误差有以下几个方面(1)测量误差:主要由信号发生误差和示波器读数误差组成(2)标定误差(3)器件工作的不稳定性(4)电源系统引起的干扰误差:系统电路由于采用大量数字电路,电源受到数字干扰影响,这些干扰会影响D A 转换的精确度,从而产生误差.3　结　论 (1)根据设计的整体结构,采用激光管提供能量的方式,将激光能量提供给高电位侧的光电转换器件,并通过两组DC 2DC 变换器件提供给传感头稳定的电源供应.这种电源提供方式能够提供大约200mW 的总功率输出,可以满足传感器头部电子电路的功耗要求.572第4期 张涛,颜研等:激光供能的光纤电流传感器 672 传　感　技　术　学　报 2001年(2)设计并实现了系统的传感头部分电子线路.(3)设计并实现了光接收机的模拟通道的电子线路.(4)设计了PC机接口板电路通过并行接口芯片以及其它的外围控制电路,用软件读取传感头采集的数字信号,并进行数据的处理.(5)本系统经实验室测试比差可达到0.5%,角差达到20′左右.参考文献[1]　Song J,M claren P G,T hom son D J,et al.A P ro to type C lamp2on M agneto2op tical Cu rren t T ran s2ducer fo r Pow er System M etering and R elaying[J].IEEE T ran sacti on s on Pow er D elivery,O ctober 1995;10(4):1764-1770[2]　Cease T W,John ston Pau l.A M agneto2Op tic Cu rren t T ran sfo rm er[J].IEEE T ran s on Pow er D e2livery,1990;P W RD-5(2):548-555[3]　张明明,刘延冰.一种新型的有源光纤电流传感器[J].中国仪器仪表,1998;2:15～16[4]　A l2M ohanadiM R,Ro ss J N,B rignell J E.Op tical Pow er and In telligen t Sen so rs[J].Sen so rs andA ctuato rs A,1997;60:142-146Optic F iber Curren t Sen sor Powered with Laser EnergyZH A N G T ao,　YA N Y an,　S H EN Z hu,　L UO Chengm u(D ep t.of E lectrical Engineering,T singhua U niv.,Beijing100084P.R.Ch ina)Abstract:A new typ e hyb rid op tical2electron ic cu rren t tran sfo rm er(EO CT)w ith rated vo ltage220kV and rated cu rren t1200A,w as develop ed.T he P rinci p le of th is cu rren t tran sfo rm er as w ell as the general con structi on w as studied.A nd the first p ro to typ e in2 strum en t w as bu ilt and tested.Key words:laser pow ered sen so r,cu rren t tran sfo rm er,E M I,tem p eratu re con tro l作者简介张涛,硕士研究生。

光纤传感器的原理是光纤传感器是一种利用光学原理来进行物体检测和测量的设备。

它利用光纤中的光信号与外界物理量的相互作用，通过测量光的特性变化来获取物理量的信息。

光纤传感器具有高精度、快速响应、不受电磁干扰等优点，广泛应用于工业、生活、医疗等领域。

一、基本原理光纤传感器的基本原理是利用光的传输和载波调制技术。

通常，光纤传感器由光源、光纤、检测元件和信号处理模块组成。

光源产生光信号后，通过光纤传输至检测元件，光信号在物理量作用下发生变化，最后由信号处理模块将光信号转化为电信号输出。

二、工作原理光纤传感器的工作原理可以分为干涉型、散射型和吸收型。

1. 干涉型干涉型光纤传感器利用光的干涉现象来测量物理量。

它通过将光信号分为两个相干波束，一个作为参考光束，另一个经过检测元件后与参考光束发生干涉。

当外界物理量作用于光束时，光的相位和振幅会发生变化，通过测量干涉光信号的强度或相位差，获得物理量的信息。

2. 散射型散射型光纤传感器利用光在纤芯中的散射现象来测量物理量。

它通过纤芯中的光散射来判断外界物理量的变化。

光纤中的散射分为弹性散射和非弹性散射两种，其中弹性散射主要受到光纤材料的缺陷、晶格振动等因素影响，非弹性散射则由于外界物理量的作用引起光纤材料中电子的激发和产生。

通过测量散射光信号的强度、频谱等特性，可以获取物理量的信息。

3. 吸收型吸收型光纤传感器利用光在特定介质中的吸收现象来测量物理量。

它通过在光纤中引入吸收介质，当外界物理量作用于吸收介质时，吸收介质中的光吸收发生变化。

通过测量光的强度变化，可以获得物理量的信息。

三、应用领域光纤传感器在诸多领域有着广泛的应用。

1. 工业领域在工业自动化控制中，光纤传感器可用于测量温度、压力、液位、流量等物理量。

通过光纤传感器的应用，可以实现高精度、实时的物理量检测和测量，从而提高生产效率、保证产品质量。

2. 生活领域光纤传感器在生活中也有着广泛的应用，如煤气检测、火灾报警、安全防范等。

光纤传感器工作原理光纤传感器是一种利用光学原理进行测量的传感器。

相比传统的电信号传感器，光纤传感器具有更高的灵敏度、更大的频带宽度和更好的抗干扰性能，因此在工业、医疗、环境监测等领域得到广泛应用。

光纤传感器的工作原理基于光的传播和传感效应。

光纤传感器通常由光源、光纤、敏感元件和光电转换器组成。

在光纤传感器中，光源发出一束光经过光纤进行传播。

光纤是一种能够将光信号限制在光纤内部的细长光导波装置，通常由具有高折射率的芯和具有低折射率的包层构成。

光信号在光纤中的传播受到光纤材料的折射特性和光纤结构的影响。

在光纤传感器中，常用的敏感元件有光纤光栅和光纤干涉仪。

光纤光栅是用特殊的制备工艺在光纤的芯或包层中形成的周期性折射率变化的光学结构，可以实现对光的频率、幅度和相位等参数的敏感检测。

光纤干涉仪则利用光纤在传播过程中发生的干涉现象进行测量，通过改变光波在不同光纤路径中的相位差，可以获取被测物理量的信息。

光纤传感器中的敏感元件接收到通过光纤传播过来的光信号后，将其转换成与被测物理量相关的光学信号。

然后，光学信号通过光电转换器转换为电信号，经过放大、处理和解码等步骤后，最终得到与被测物理量相关的结果。

光纤传感器的工作原理可以通过以下几个方面来解释：1. 光纤传感器的基本原理是利用光的折射和传播规律。

当光束从一个介质传播到另一个介质时，由于光在不同介质中的折射率不同，光束的传播方向会发生偏折。

通过对光束的偏折进行测量，可以得到与被测物理量相关的信息。

2. 光纤传感器的工作过程涉及到光的干涉现象。

干涉是指两个或多个光波相互叠加形成的干涉图样。

在光纤传感器中，通过使光波在光纤中沿不同路径传播，利用不同路径上光波的相位差来实现测量。

当被测物理量发生变化时，导致光线的路径长度或相位发生变化，从而引起干涉图样的变化。

3. 光纤传感器的敏感元件可以是光纤光栅或光纤干涉仪。

光纤光栅是通过将光纤的芯或包层制作成具有周期性折射率变化的结构，利用光在光纤光栅中的反射和折射等效应进行测量。

光纤传感器的工作原理光纤传感器是一种能够通过光学原理实现测量和控制的传感器。

它利用光传输的特性，将光信号转换为电信号，从而实现对各种物理量、化学量和生物量的测量。

光纤传感器具有高灵敏度、高分辨率、无电磁干扰、不易受环境条件影响等优点，被广泛应用于工业自动化、环境监测、医学诊断等领域。

光纤传感器的工作原理主要分为两部分，光传输和光信号检测。

首先，我们来了解一下光传输的原理。

光纤是一种采用全反射原理传输光信号的光学导波介质。

它由中心芯和包裹在外面的包层组成。

中心芯是一个直径非常细微的玻璃或塑料材料，具有较高的折射率。

包层的折射率比中心芯低，起到了折射光线的作用，使光信号得以在光纤中传输。

当光信号进入光纤时，它会被中心芯完全反射，沿着光纤的长轴向另一端传输。

因为光线是在全反射的条件下传输的，所以光纤具有很好的光损耗特性，能够传输很长的距离而不会产生明显的信号衰减。

此外，光纤的直径细微，所以它具有一定的柔韧性，能够弯曲和弯折，适用于各种复杂环境的应用。

在光信号检测方面，光纤传感器采用了不同的工作原理，可分为干涉型、散射型、吸收型和荧光型等。

其中，干涉型光纤传感器是利用光束经过传感器中的情况下，光强发生改变的原理，进行测量和控制。

例如，光纤干涉仪是一种利用光纤干涉现象进行测量的传感器，它通过光纤的干涉现象来确定被测物理量的大小。

散射型光纤传感器通过光的散射特性来测量被测物理量。

例如，光纤散射传感器是利用光纤中的散射现象进行测量的传感器，它通过测量光信号的散射强度来计算被测物理量。

吸收型光纤传感器则是通过测量光的吸收特性来判断被测物理量。

例如，光纤吸收传感器常用于医学诊断中，可以通过测量组织中特定波长的光的吸收强度来判断组织的病理变化。

荧光型光纤传感器是利用荧光现象进行测量的传感器，它通过测量荧光物质的激发和发射光强度来判断被测物理量。

荧光型光纤传感器常用于生物医学领域，可以实现对生物分子、细胞和组织的非侵入式测量。

一文深度了解光纤传感器的应用场景文| 传感器技术（WW_CGQJS）光纤传感器与测量技术是当今传感器技术领域新的发展引应用，其测量用的光纤传感器有很多种类，有很多种工作方式。

国内市场上光纤传感器应用主要在以下四种：光纤陀螺、光纤光栅传感器、光纤电流传感器和光纤水听器。

下面对这四种产品分别介绍一下。

光纤传感器应用种类一、光纤陀螺。

光纤陀螺按原理可分为干涉型、谐振型和布里渊型,这是三代光纤陀螺的代表.第一代干涉型光纤陀螺,目前该项技术已经成熟,适合进行批量生产和商品化;第二代谐振型光纤陀螺，暂时还处于实验室研究向实用化推进的发展阶段；第三代布里渊型，它还处于理论研究阶段.光纤陀螺结构根据所采用的光学元件有三种实现方法：小型分立元件系统、全光纤系统和集成光学元件系统。

目前分立光学元件技术已经基本退出，全光纤系统用在开环低精度、低成本的光纤陀螺中，集成光学器件陀螺由于其工艺简单、总体重复性好、成本低，所以在高精度光纤陀螺很受欢迎，是其主要实现方法。

二、光纤光栅传感器目前国内外传感器领域的研究热点之一光纤布拉格光栅传感器。

传统光纤传感器基本上可分为两种类型：光强型和干涉型。

光强型传感器的缺点在于光源不稳定，而且光纤损耗和探测器容易老化;干涉型传感器由于要求两路干涉光的光强同等，所以需要固定参考点而导致应用不方便.目前开发的以光纤布拉格光栅为主的光纤光栅传感器可以避免出现上面两种情况,其传感信号为波长调制、复用能力强.在建筑健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等应用中,光纤光栅传感器是最理想的灵敏元件.光纤光栅传感器在地球动力学、航天器、电力工业和化学传感中有广泛的应用。

三、光纤电流传感器电力工业的迅猛发展带动电力传输系统容量不断增加,运行电压等级也越来越高，电流也越来越大，这样测量起来就非常困难,这就显现出光纤电流传感器的优点了。

在电力系统中，传统的用来测量电流的传感器是以电磁感应为基础，这就存在以下缺点:它容易爆炸以至引起灾难性事故;大故障电流会造成铁芯磁饱和；铁芯发生共振效应；频率响应慢；测量精度低；信号易受干扰；体积重量大、价格昂贵等等，已经很难满足新一代数字电力网的发展需要。

光纤传感器的作用及应用光纤传感器是一种利用光纤技术来感知和检测环境中的各种物理量的传感器。

它具有高灵敏度、快速响应、宽波长范围、不受电磁干扰等优点，因此在许多领域有很广泛的应用。

光纤传感器的作用是利用光纤的特性来实现对环境中物理量的实时监测和测试，例如温度、压力、形变、振动、流量、声音等。

使用光纤作为传感器的探头，当环境中的物理量发生变化时，会引起光纤的弯曲、拉伸、压缩等形变，从而改变光纤中的传输特性，通过对光信号的分析和处理，可以获得环境中物理量的相关信息。

光纤传感器的应用非常广泛。

下面主要介绍几个光纤传感器应用的领域。

1. 制造业：光纤传感器在制造业中广泛应用于质量控制和工艺监测。

例如在汽车制造中，可以利用光纤传感器实时监测零件的尺寸、压力、温度等信息，以确保产品质量和生产效率。

2. 医疗领域：光纤传感器在医疗领域中有着重要的应用。

例如可以利用光纤传感器监测病人的生命体征，如体温、血压、心率等，从而及时发现异常情况并采取相应的治疗措施。

3. 石油和天然气工业：在石油和天然气工业中，光纤传感器可以用于油井的监测和控制，例如实时监测油井的温度、压力、流量等参数，以优化油井的生产效率和延长井口的使用寿命。

4. 建筑工程：在建筑工程中，光纤传感器可以用来监测和预警结构的变形和振动，以确保建筑物的安全性。

例如可以利用光纤传感器实时监测桥梁、高楼大厦等建筑物的变形情况，并在出现异常时发出警报。

5. 环境监测：光纤传感器可以用于环境监测，例如大气污染监测、水质监测等。

通过利用光纤传感器对环境中的温度、湿度、气体浓度等参数进行实时监测，可以及时预警和控制环境污染。

除了以上几个领域，光纤传感器还应用于军事、航天、航空、能源等众多领域。

可以说，光纤传感器已经成为了21世纪的重要技术之一。

总结起来，光纤传感器通过利用光纤的特性实现对环境中物理量的实时监测和测试。

它在制造业、医疗领域、石油和天然气工业、建筑工程、环境监测等领域有着重要的应用，对保障安全、提高生产效率和保护环境起着重要作用。

光纤传感器的工作原理
光纤传感器是一种基于光学原理工作的传感器。

它采用光纤作为传输介质，利用光纤的折射和反射等特性来探测物理量。

其工作原理可以分为两种类型：
1. 变形型光纤传感器
变形型光纤传感器是根据物理量的变化引起传感器光纤变形的原理来实现信号检测的。

当物理量如温度、力、压力等作用在传感器上时，会使光纤发生形变，从而改变光纤中光的传输方式。

这种变化会导致光信号的强度、相位和波长等发生变化，进而被检测器检测出来，实现对物理量的测量。

2. 干涉型光纤传感器
干涉型光纤传感器是基于干涉原理来实现的。

它依靠光纤中光的干涉现象，测量物理量对光程差的改变，进而得到物理量的参数。

干涉型光纤传感器主要有两种类型，即迈赫尔干涉型光纤传感器和马赫曾德干涉型光纤传感器。

其中，迈赫尔干涉型光纤传感器是基于一条光纤，在光纤中引入光纤衍射光栅，使光线发生干涉现象从而实现对物理量的测量；马赫曾德干涉型光纤传感器则是基于两条光纤，在两条光纤中加入一个反射器，使两条光纤的光线在反射器处相遇，从而形成干涉现象，实现对物理量的测量。

无论是变形型光纤传感器还是干涉型光纤传感器，其工作原理都是利用光纤的特
点来提高测量的精度和灵敏度，从而实现对物理量的高精度、高灵敏度、无干扰的测量。

光纤传感器的工作原理
光纤传感器是一种利用光学原理进行测量的传感器，它能够通过光的传输和反
射来实现对环境参数的监测和测量。

光纤传感器的工作原理主要包括光的传输、光的衰减和光的检测三个方面。

首先，光纤传感器的工作原理涉及光的传输。

光纤是一种能够传输光信号的细
长光导纤维，它能够将光信号沿着光纤传输到需要监测的位置。

光纤的传输过程中，光信号会受到折射和反射的影响，从而实现对光信号的定向传输和控制。

其次，光纤传感器的工作原理还涉及光的衰减。

在光纤传输的过程中，光信号
会因为各种因素而逐渐衰减，比如光的散射、吸收和反射等。

通过对光信号衰减程度的测量，可以实现对环境参数的监测，比如温度、压力、湿度等。

最后，光纤传感器的工作原理还包括光的检测。

光纤传感器通常会在需要监测
的位置设置光检测器，用于接收经过光纤传输的光信号并将其转换成电信号。

通过对电信号的测量和分析，可以得到环境参数的具体数值，并实现对环境参数的实时监测和测量。

总的来说，光纤传感器的工作原理是基于光的传输、衰减和检测这三个基本过
程来实现的。

通过对这些过程的精确控制和测量，光纤传感器能够实现对环境参数的高精度监测和测量，具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点，因此在工业、医疗、环境监测等领域有着广泛的应用前景。

本文主要介绍的是光纤传感器使用调试，首先介绍了光纤传感器工作原理及优点，其次阐述了光纤传感器调试使用方法，具体的跟随小编来了解一下吧。

光纤传感器的应用绝缘于污秽、磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流，光纤传感器可用于位移、震动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、PH值和应变等物理量的测量。

光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济和国防上所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。

主要表现在以下几个方面的应用：城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。

光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中，用于测试应力松弛、施工应力和动荷载应力，从而评估桥梁短期施工阶段和长期营运状态的结构性能。

在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等，由于电类传感器易受电磁场的干扰，无法在这类场合中使用，只能用光纤传感器。

分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术，分布式光纤温度传感系统不仅具有普遍光纤传感器的优点，还具有对光纤沿线各点的温度的分布传感能力，利用这种特点我们可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点温度，定位精度可达米的量级，测量精度可达1度的水平，非常适用大范围交点测温的应用场合。

此外，光纤传感器还可以应用于铁路监控、火箭推进系统以及油井检测等方面。

光纤同时具备宽带、大容量、远距离传输和可实现多参数、分布式、低能耗传感的显著优点。

光纤传感可以不断汲取光纤通信的新技术、新器件，各种光纤传感器有望在物联网中得到广泛应用。

首先灵敏度校准（1）全自动校准：在工件进入探头的灵敏区域时，按住“SET”键不放，保持3 秒，灵敏值将会被设定，显示为绿色（2）两点校准：在工件未进入灵敏区域时，按住“SET”键保持三秒，有一个敏感值被记忆，然后将工件放置在敏感区域，按下“SET”键保持三秒，另一个敏感值被记忆，当敏感值从一个值变化为另一值时，传感器产生电平变化。

光纤传感器光纤传感器概述光纤作为远距离传输光波信号的媒质，最初的研究是用于光通信技术中。

用于传感器技术始于1977年，至今光纤传感器已日趋成熟。

光纤传感器与传统的传感器相比具有许多优点：灵敏度高、电绝缘性能好、结构简单、体积小、重量轻、不受电磁干扰、光路可弯曲、便于实现遥测、耐腐蚀、耐高温等特点。

可广泛用于位移、速度、加速度、压力、温度、液位、流量、水声、电流、磁场、放射性射线等物理量测量，发展极为迅速，在制造业、军事、航天、航空、航海和其他科学技术研究中有着广泛的应用。

光纤传感器一般由光源、光纤、光电元件等组成。

根据光纤传感器的用途和光纤的类型，对光源一般要提出功率和调制的要求。

常用的光源有激光二极管和发光二极管。

激光二极管具有亮度高，易调制，尺寸小等优点。

而发光二极管具有结构简单和温度对发射功率影响小等优点。

除此之外，还有采用白炽灯等作光源。

1.结构光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。

光纤的结构如图所示，它由折射率n1较大(光密介质)的纤芯，和折射率n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。

2.分类按照光从纤芯到包层的折射率的变化规律，光纤可分为阶跃型、渐变型和单模型三种。

按照光的作用分类1）物性型（功能型）光纤传感器物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。

2）结构型（非功能型）光纤传感器结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。

其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。

3）拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。

其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。

根据光受被测对象的调制形式1）强度调制型光纤传感器是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。

有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。

第二章 光纤传感器的特点和工作原理 2.1 光纤传感器的特点 光纤传感器有极高的灵敏度和精度、固有的安全性好、抗电磁干扰、高绝缘强度、耐腐蚀、集传感与传输于一体、能与数字通信系统兼容等优点，光纤传感器受到世界各国的广泛重视。 总体来说光纤传感器具有许多优点，概括如下： (1)高灵敏度 (2)轻细柔韧便于安装埋设 (3)电绝缘性及化学稳定性。光纤本身是一种高绝缘、化学性能稳定的物质，适用于电力系统及化学系统中需要高压隔离和易燃易爆等恶劣的环境中。 (4)良好的安全性。光纤传感器是电无源的敏感元件，故应用于测量中时，不存在漏电及电击等安全隐患。 (5)抗电磁干扰。一般情况下光波频率比电磁辐射频率高，因此光在光纤中传播不会受到电磁噪声的影响。 (6)可分布式测量。一根光纤可以实现长距离连续测控，能准确测出任一点上的应变、损伤、振动和温度等信息，并由此形成具备很大范围内的监测区域，提高对环境的检测水平。 (7)使用寿命长。光纤的主要材料是石英玻璃，外裹高分子材料的包层，这

使得它具有相对于金属传感器更大的耐久性。 (8)传输容量大。以光纤为母线，用传输大容量的光纤代替笨重的多芯水下

电缆采集收纳各感知点的信息，并且通过复用技术，来实现对分布式的光纤传感器监测。 纤细的光纤具有这么多的优点，使得它在建筑桥梁、医疗卫生、煤炭化工、军事制导、地质探矿、电力工程、石油勘探、地震波检测等领域有着广阔的发展空间。

2.2 光纤传感器的工作原理 光纤传感器工作原理是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已调制的光信号进行检测，从而得到被测物理量。 在光纤传感器中，由于光纤不仅可以作为光波的传播媒质，并且在光纤中传播的光波因外界因素的变化而改变，同时也可将光纤作为传感元件来探测如振幅、相位、偏振态、波长等物理量。 光电探测器信号检

测与处理

传感头传输光纤光源

图2 光纤传感系统的基本构成 2.3 光纤传感器的分类： 光纤传感器按其作用不同可分为两种类型：一类是功能型(传感型)传感器；另一类是非功能型(传光型)传感器。 光纤作为敏感元件，光纤内传输的光被被测量进行调制，使传输光的特性发生变化，如强度、相位、频率或偏振态等。 通过信号解调，得出被测信号，这类传感器称为功能型传感器。光纤在不仅在其中扮演导光媒质，并且扮演敏感元件。光在光纤内受被测量调制。 非功能型传感器是用非光纤敏感元件来感知被测参量的变化，光纤仅作为信息的传输媒介。所以光纤在此类传感器系统中仅起导光作用，这时由于光照在光纤型敏感元件上，使得它受到被测量调制。 光纤传感器按被调制的光波参数不同，分为相位调制光纤传感器、强度调制光纤传感器、波长(颜色)调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器及频率调制光纤传感器等。 光纤传感器按被测对象的不同，分为光纤电流传感器、光纤浓度传感器、光纤位移传感器、光纤温度传感器等。