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近年來，傳感器朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質軟、重量輕的機械性能；絕緣、無感應的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等，它能夠在人達不到的地方（如高溫區(qū)或者對人有害的地區(qū)，如核輻射區(qū)），起到人的耳目作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。 基本工作原理及應用領域 光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導致光的光學性質（如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。 光纖傳感器的應用于對磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉矩、光聲、電流和應變等物理量的測量。光纖傳感器的應用范圍很廣，幾乎涉及國民經(jīng)濟和國防上所有重要領域和人們的日常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環(huán)境中使用，解決了許多行業(yè)多年來一直存在的技術難題，具有很大的市場需求。主要表現(xiàn)在以下幾個方面的應用： ● 城市建設中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應用。光纖傳感器可預埋在混凝土、碳纖維增強塑料及各種復合材料中，用于測試應力松馳、施工應力和動荷載應力，從而評估橋梁短期施工階段和長期營運狀態(tài)的結構性能。 ● 在電力系統(tǒng)，需要測定溫度、電流等參數(shù)，如對高壓變壓器和大型電機的定子、轉子內(nèi)的溫度檢測等，由于電類傳感器易受電磁場的干擾，無法在這類場合中使用，只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發(fā)展起來的一種用于實時測量空間溫度場分布的高新技術，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)不僅具有普遍光纖傳感器的優(yōu)點，還具有對光纖沿線各點的溫度的分布傳感能力，利用這種特點我們可以連續(xù)實時測量光纖沿線幾公里內(nèi)各點溫度，定位精度可達米的量級，測量精度可達1度的水平，非常適用大范圍交點測溫的應用場合。 光纖傳感器的分類 光纖傳感器可分兩大類：一類是功能型（傳感型）傳感器；另一類是非功能性（傳光型）傳感器。 功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹姸取⑾辔弧㈩l率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，現(xiàn)通過被調(diào)制走的傳導進行解調(diào)，從而得出被測信號。 光纖在其中不僅是導光媒質，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)被測量調(diào)制，多采用多模光纖。 優(yōu)點：結構緊湊，靈敏度度。缺點：須用特殊光纖，成本高。典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。 非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質，常采用單模光纖。光纖在其中僅起導光作用，光照在光纖型敏感元件上被測量調(diào)制。 優(yōu)點：無需特殊光纖及其他特殊技術，比較容易實現(xiàn)，成本低。缺點：靈敏度較低。實用化的大都是非功能型的光纖傳感器 目前光纖傳感器已經(jīng)有70多種，光纖聲傳感器是一種利用光纖自身的傳感器。當光纖受到一點很微小的外力作用時，就會產(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力發(fā)生很大的變化。聲音是一種機械波，它對光纖的作用就是使光纖受力并產(chǎn)生彎曲，通過彎曲就能夠得到聲音的強弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種。與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本低，可以用于飛機、艦船、導彈等的高性能慣性民航系統(tǒng)。 熒光光纖傳感器 與化學傳感器不同，光纖生物傳感器主要是利用熒光免疫競爭原理實現(xiàn)對分析物的檢測。Shriver-Lake等人發(fā)展了一種適合于多目標檢測的熒光光纖傳感器，采用免疫競爭方法可同時檢測TNT和RDX（三次甲基三硝基胺）兩種爆炸物。他們將抗體固定在光纖表面，熒光標記抗原與自由抗原在光纖表面進行免疫競爭，通過檢測熒光強度的變化，可定量檢測爆炸物的體積分數(shù)。需要指出的是，雖然熒光光纖生物傳感器具有靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點，但使用穩(wěn)定性差是其難以克服的缺陷。 隨著新的熒光敏感材料的出現(xiàn)，爆炸物的熒光檢測方法也在不斷發(fā)展。Swager小組利用微納米顆粒材料比表面大的特點，利用層層組裝技術將共軛熒光高分子固定于微球表面，制成了可對硝基芳烴類炸藥實現(xiàn)靈敏檢測的功能熒光微球材料，并形象地稱其為“智能砂子”。針對共軛熒光高分子薄膜熒光傳感器的局限性，提出了以固定化多環(huán)芳烴的超分子行為為基礎的傳感薄膜材料設計新思想，制備了十余種新型傳感薄膜材料，已實現(xiàn)了對有機二酸等的選擇性檢測。實驗發(fā)現(xiàn)，在這些薄膜中，芘功能化薄膜對空氣中硝基芳烴類化合物的存在十分敏感，其靈敏度可與共軛熒光高分子薄膜相媲美，展現(xiàn)出很好的應用開發(fā)前景。可以預期，薄膜熒光傳感器所具有的巨大優(yōu)勢必將使其在硝基芳烴類炸藥的超靈敏快速檢測方面獲得際應用。 分布式光纖監(jiān)測技術 20世紀70年代，光纖監(jiān)測技術伴隨著光導纖維及光纖通信技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來。與傳統(tǒng)的監(jiān)測技術相比，光纖監(jiān)測技術有一系列獨特的優(yōu)點： ● 光纖傳感器以光信號作為載體，光纖為媒質，光纖的纖芯材料為二氧化硅，因此，該傳感器具有耐腐蝕、抗電磁干擾、防雷擊等特點，屬本質安全。 ● 光纖本身輕細纖柔，光纖傳感器的體積小、重量輕，不僅限于布設安裝，而且對埋調(diào)部位的材料性能和力學參數(shù)影響甚小，能實現(xiàn)無損埋設。 ● 靈敏度高，可靠性好，使用壽命長。分布式光纖監(jiān)測技術除了具有以上的特點外，還具有以下兩個顯著的優(yōu)點：可以準確地測出光纖沿線任一點的監(jiān)測量，信息量大，成果直觀；光纖既作為傳感器，又作為傳輸介質，結構簡單，不僅方便施工，潛在故障大大低于傳統(tǒng)技術，可維護性強，而且性能價格比好。 分布式光纖經(jīng)久耐用，安全可靠，由它構成的網(wǎng)絡可以遍布壩體，這些光纖網(wǎng)絡猶如神經(jīng)系統(tǒng)，可以感知壩體各部位相關信息，大壩因此而有望成為一種機敏結構。分布式光纖監(jiān)測技術是當代高科技的結晶，是一種理想的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，廣大安全監(jiān)測工作者應予以積極推廣。 光纖測溫技術 光纖測溫技術是近年才發(fā)展起來的新技術，并已逐漸顯露出某些優(yōu)異特性。可是，正象其他新技術一樣，光纖測溫技術并不是萬能的，它不是用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法，而是對傳統(tǒng)測溫方法的補充與提高。充分發(fā)揮它的特長，就能創(chuàng)造出新的測溫方案與技術應用的場合，如下所述： ● 強電磁場下的溫度測量。高頻與微波加熱方法受到人們重視，正在向如下領域逐漸擴展：金屬的高頻熔煉、焊接與淬火、橡膠的硫化、木材與織物的烘干以及制藥、化工，甚至家庭烹調(diào)等。光纖測溫技術在這些領域中有著絕對優(yōu)勢，因為它既無導電部分引起的附加升溫，又不受電磁場的干擾。 ● 高壓電器的溫度測量。最典型的應用是高壓變壓器繞阻熱點的溫度測量。英國電能研究中心從20世紀70年代中期就開始潛心研究這一課題，起初是為了故障診斷與預報，后來又用于計算機電能管理的應用，轉入了安全過載運行，使系統(tǒng)處于最佳功率分配狀態(tài)。另一類應用的場合是各種高壓裝置，如發(fā)電機、高壓開關、過載保護裝置，甚至架空電力線和地下電纜等。 ● 易燃易爆物的生產(chǎn)過程與設備的溫度測量。光纖傳感器在本質上是防火防爆器件，它不需要采用隔爆措施，十分安全可靠。與電學傳感器相比，既能降低成本又能提高靈敏度。例如，大型化工廠的反應罐工作在高溫高壓狀態(tài)，反應罐表面溫度特性的實時監(jiān)測可確保其正確工作，將光纖沿反應罐表面鋪設成感溫網(wǎng)格，這樣任何熱點都能被監(jiān)控，可有效地預防事故發(fā)生。 ● 高溫介質的溫度測量。在冶金工業(yè)中，當溫度高于1300℃或1700℃時，或者溫度雖不高但使用條件惡劣時，尚存在許多測溫難題。充分發(fā)揮光纖測溫技術的優(yōu)勢，其中有些難題可望得到解決。例如，鋼液、鐵液及相關設備的連續(xù)測溫問題，高爐爐體的溫度分布等，有關這類研究國內(nèi)外都正在進行之中。 ● 橋梁安全檢測。國內(nèi)在大橋安全檢測項目中，采用了光纖光柵傳感器，檢測大橋在各種情況下的應力應變和溫度變化情況。在大橋選定的端面上布設了8個光纖光柵應變傳感器和4個光纖光柵溫度傳感器，其中8個光纖光柵應變傳感器串接為1路，4個溫度傳感器串接為1路，然后由光纖傳輸?shù)綐蚬芩瑢崿F(xiàn)大橋的集中管理。從測試結果來看，光纖光柵傳感器所取得的測試數(shù)據(jù)與預期結果一致。 ● 鋼液澆鑄檢測。連鑄機在澆鑄時，為防止鋼液被氧化、提高質量，希望鋼液在與空氣完全隔絕的狀態(tài)下，從大包流到中間包。但實際上，在大包澆鑄完時，是由操作員目視判斷渣是否流出，因而在大包澆鑄結束前5~10分鐘之間，密閉狀態(tài)已破壞。為了防止鑄坯質量劣化及錯誤判斷漏渣，研制出光纖漏渣檢測裝置。 附1：阮一峰:四位計算機的原理及其實現(xiàn) 你是否想過，計算機為什么會加減乘除？或者更直接一點，計算機的原理到底是什么？ Waitingforfriday有一篇詳細的教程，講解了如何自己動手，制作一臺四位計算機。從中可以看到，二進制、數(shù)理邏輯、電子學怎樣融合在一起，構成了現(xiàn)代計算機的基礎。 一、什么是二進制？ 首先，從最簡單的講起。 計算機內(nèi)部采用二進制，每一個數(shù)位只有兩種可能"0"和"1"，運算規(guī)則是"逢二進一"。舉例來說，有兩個位A和B，它們相加的結果只可能有四種。 
這張表就叫做"真值表"（truth table），其中的sum表示"和位"，carry表示"進位"。如果A和B都是0，和就是0，因此"和位"和"進位"都是0；如果A和B有一個為1，另一個為0，和就是1，不需要進位；如果A和B都是1，和就是10，因此"和位"為0，"進位"為1。 二、邏輯門（Logic Gate） 布爾運算（Boolean operation）的規(guī)則，可以套用在二進制加法上。布爾運算有三個基本運算符：AND，OR，NOT，又稱"與門"、"或門"、"非門"，合稱"邏輯門"。它們的運算規(guī)則是： AND：如果( A=1 AND B=1 )，則輸出結果為1。兩個輸入（A和B）都為1，AND（與門）就輸出1；只要有任意一個輸入（A或B）為1，OR（或門）就輸出1；NOT（非門）的作用，則是輸出一個輸入值的相反值。它們的圖形表示如下：
三、真值表的邏輯門表示 現(xiàn)在把"真值表"的運算規(guī)則，改寫為邏輯門的形式。 先看sum（和位），我們需要的是這樣一種邏輯：當兩個輸入不相同時，輸出為1，因此運算符應該是OR；當兩個輸入相同時，輸出為0，這可以用兩組AND和NOT的組合實現(xiàn)。最后的邏輯組合圖如下：
再看carry（進位）。它比較簡單，兩個輸入A和B都為1就輸出1，否則就輸出0，因此用一個AND運算符就行了。
現(xiàn)在把sum和carry組合起來，就能得到整張真值表了。這被稱為"半加器"（half-adder），因為它只考慮了單獨兩個位的相加，沒有考慮可能還存在低位進上來的位。
四、擴展的真值表和全加器 如果把低位進上來的位，當做第三個輸入（input），也就是說，除了兩個輸入值A和B以外，還存在一個輸入（input）的carry，那么問題就變成了如何在三個輸入的情況下，得到輸出（output）的sum（和位）和carry（進位）。 這時，真值表被擴展成下面的形式：
如果你理解了半加器的設計思路，就不難把它擴展到新的真值表，這就是"全加器"（full-adder）了。
五、全加器的串聯(lián) 多個全加器串聯(lián)起來，就能進行二進制的多位運算了。 先把全加器簡寫成方塊形式，注明三個輸入（A、B、Cin）和兩個輸出（S和Cout）。
然后，將四個全加器串聯(lián)起來，就得到了四位加法器的邏輯圖。
六、邏輯門的晶體管實現(xiàn) 下一步，就是用晶體管做出邏輯門的電路。 先看NOT。晶體管的基極（Base）作為輸入，集電極（collector）作為輸出，發(fā)射極（emitter）接地。當輸入為1（高電平），電流流向發(fā)射極，因此輸出為0；當輸入為0（低電平），電流從集電極流出，因此輸出為1。
接著是AND。這需要兩個晶體管，只有當兩個基極的輸入都為1（高電平），電流才會流向輸出端，得到1。
最后是OR。這也需要兩個晶體管，只要兩個基極中有一個為1（高電平），電流就會流向輸出端，得到1。
七、全加器的電路 將三種邏輯門的晶體管實現(xiàn)，代入全加器的設計圖，就可以畫出電路圖了。
（點擊看大圖） 按照電路圖，用晶體管和電路板組裝出全加器的集成電路。
左邊的三根黃線，分別代表三個輸入A、B、Cin；右邊的兩根綠線，分別代表輸出S和Cout。 八、制作計算機 將四塊全加器的電路串聯(lián)起來，就是一臺貨真價實的四位晶體管計算機了，可以計算0000~1111之間的加法。
電路板的下方有兩組各四個開關，標注著"A"和"B"，代表兩個輸入數(shù)。從上圖可以看到，A組開關是"上下上上"，代表1011（11）；B組開關是"上下下下"，代表1000（8）。它們的相加結果用五個LED燈表示，上圖中是"亮暗暗亮亮"，代表10011（19），正是1011與1000的和。 九、結論 雖然這個四位計算機非常簡陋，但是從中不難體會到現(xiàn)代計算機的原理。 完成上面的四位加法，需要用到88個晶體管。雖然當代處理器包含的晶體管數(shù)以億計，但是本質上都是上面這樣簡單電路的累加。 |
