光纖溫度傳感器畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　Abstract</b></p><p><b>　　1 引言：</b></p><p>　　光纖溫度傳感器是一種新型的溫度傳感器．它具有抗電磁干擾、耐高壓、耐腐蝕、防爆防燃、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，其中幾種主要的光纖溫度傳感器：分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器和基于彎

2、曲損耗的光纖溫度傳感器更有著自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的傳感器相比具有一下優(yōu)點(diǎn):靈敏度高;是無源器件，對被測對象不產(chǎn)生影響;光纖耐高壓，耐腐蝕，在易燃、易爆環(huán)境下安全可靠;頻帶寬，動態(tài)范圍大;幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性;可以與光纖遙測技術(shù)相配合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量和控制;體積小，重量輕等。它將在航空航天、遠(yuǎn)程控制、化學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)療、安全保險(xiǎn)、電力工業(yè)等特殊環(huán)境下測溫有著廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　在本論文中

3、將詳細(xì)分析當(dāng)前光纖溫度傳感器的主要種類和各自的原理，特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。</p><p><b>　　2 論文要求：</b></p><p>　?。?）詳細(xì)分析國內(nèi)外主要光纖溫度測溫方法的原理及特點(diǎn)，比較不同方法的溫度測量范圍和性能指標(biāo)。</p><p>　?。?）掌握空調(diào)器的工作電氣原理和基本的熱力學(xué)過程。</p><p>

4、;<b>　　3 畢業(yè)論文綜述：</b></p><p>　　70年代中期，人們開始意識到光纖不僅具有傳光特性，且其本身就可以構(gòu)成一種新的直接交換信息的基礎(chǔ)，無需任何中間級就能把待測的量與光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來。1977年，美國海軍研究所開始執(zhí)行光纖傳感器系統(tǒng)計(jì)劃，這被認(rèn)為是光纖傳感器問世的日子。從這以后，光纖傳感器在全世界的許多實(shí)驗(yàn)室里出現(xiàn)。</p><p>　　從7

5、0年代中期到80年代中期近十年的時(shí)間，光纖傳感器己達(dá)近百種，它在國防軍事部門、科研部門以及制造工業(yè)、能源工業(yè)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)和日常消費(fèi)部門都得到實(shí)際應(yīng)用。從目前的情況看，己有一些形成產(chǎn)品投入市場，但大量的是處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。光纖傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比具有一下優(yōu)點(diǎn):靈敏度高;</p><p>　　是無源器件，對被測對象不產(chǎn)生影響;光纖耐高壓，耐腐蝕，在易燃、易爆環(huán)境</p><p>　　下安

6、全可靠;頻帶寬，動態(tài)范圍大;幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性;可以與光纖</p><p>　　遙測技術(shù)相配合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量和控制;體積小，重量輕等。</p><p>　　目前，世界各國都對光纖傳感器展開了廣泛，深入的研究，幾個(gè)研究工作開展早的國家情況如下:美國對光纖傳感器研究共有六個(gè)方面:這些項(xiàng)目分別是:光纖傳感系統(tǒng);現(xiàn)代數(shù)字光纖控制系統(tǒng);光纖陀螺;核輻射監(jiān)控;飛機(jī)發(fā)動機(jī)監(jiān)控;民用研究計(jì)劃。以

7、上計(jì)劃僅在1983年就投資12-14億美元。美國從事光纖傳感器研究的有美國海軍研究所、美國宇航局、西屋電器公司、斯坦福大學(xué)等28個(gè)主要單位。美國光纖傳感器開始研制最早，投資最大，己有許多成果申請了專利。</p><p>　　英國政府特別是貿(mào)易工業(yè)部十分重視光纖傳感器技術(shù)，早在1982年有該部為首成立了英國光纖傳感器合作協(xié)會，到1985年為止，共有26個(gè)成員，其中包括中央電器研究所、Delta控制公司、帝國化學(xué)工業(yè)

8、公司、英國煤氣公司、Taylor儀器公司、標(biāo)準(zhǔn)電信研究所及幾所主要大學(xué)。</p><p>　　德國的光纖陀螺的研究規(guī)模和水平僅次與美國居世界第二位，西門子公司在1980年就制成了高壓光纖電流互感器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。</p><p>　　日本制定了1979-1986年“光應(yīng)用計(jì)劃控制系統(tǒng)”的七年規(guī)劃，投資達(dá)70億美金。有松下、三菱、東京大學(xué)等24家著名的公司和大學(xué)從事光纖傳感器研究。從1980年7

9、月到1983年6月，申請光纖傳感器的專利464件，涉及11個(gè)領(lǐng)域。主要應(yīng)用于大型工廠，以解決強(qiáng)電磁千擾和易燃、易爆等惡劣環(huán)境中信息測量、傳輸和生產(chǎn)全過程的控制問題。</p><p>　　我國光纖傳感器的研究工作于80年代初開始，在“七五”規(guī)劃中提出15</p><p>　　項(xiàng)光纖傳感器項(xiàng)目，其中有光纖放射線探測儀、光纖溫度傳感器及溫度測量系統(tǒng)、</p><p>　　

10、光纖陀螺、光纖磁場傳感器、光纖電流、電壓傳感器、醫(yī)用光纖傳感器、分析用</p><p>　　傳感器、集成光學(xué)傳感器等。預(yù)計(jì)“七五”期間的研制成果可達(dá)到美、日等國</p><p>　　80年代初、中期水平。</p><p>　　半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器基本上是80年代興起的，其中以日本的研究最為廣泛。在1981年，Kazuo、Kyuma等四人在日本三菱電機(jī)中心實(shí)驗(yàn)室

11、，首次研制成功采用GaAs、和Care半導(dǎo)體材料的吸收型光纖溫度傳感器。由于人們對半導(dǎo)體材料認(rèn)識的不斷深入，以及半導(dǎo)體制造和加工工藝水平的不斷提高，使人們對采用半導(dǎo)體材料來制作各種傳感器的前景十分看好。在90年代前后，</p><p>　　出現(xiàn)了研究以硅材料作為溫度敏感材料的光纖溫度傳感器。在1988年，Roorkee</p><p>　　大學(xué)R.P.Agarwal等人，采用CIrD(化學(xué)

12、氣象淀積)技術(shù)，在光纖端面上淀積多</p><p>　　晶硅薄膜，試制了硅吸收型光纖溫度傳感器。同年，Isko Kajanto等人采用SOI結(jié)構(gòu)，以光纖反射的方式，制作了單晶硅吸收型溫度傳感器。目前，以GaAs 和CdTe直接帶隙半導(dǎo)體材料的吸收型光纖溫度傳感器，已接近實(shí)用化。</p><p>　　國內(nèi)對半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器的研究起步較晚，興起于90年代后期。</p>

13、<p>　　主要集中在清華大學(xué)，華中理工大學(xué)，東南大學(xué)等高校。他們對該種類型的傳感</p><p>　　器結(jié)構(gòu)，特性和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和實(shí)踐。但大量的研究只集中在GaAs半導(dǎo)體作為感溫材料的傳感器上，與國外在該領(lǐng)域的研究水平仍有較大差別。</p><p>　　4 光纖溫度傳感器的特點(diǎn)：</p><p>　　光纖溫度傳感器與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比具有很

14、多優(yōu)點(diǎn)：光波不產(chǎn)生電磁干擾，也不怕電磁干擾，易被各種光探測器件接收．可方便地進(jìn)行光電或電光轉(zhuǎn)換．易與高度發(fā)展的現(xiàn)代電子裝置和計(jì)算機(jī)相匹配．光纖工作頻率寬．動態(tài)范圍大，是一種低損耗傳輸線，光纖本身不帶電．體積小質(zhì)量輕，易彎曲，抗輻射性能好，特別適合于易燃、易爆、空間受嚴(yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。國外一些發(fā)達(dá)國家對光纖溫度傳感技術(shù)的應(yīng)用研究已取得豐富成果．不少光纖溫度傳感器系統(tǒng)已實(shí)用化．成為替代傳統(tǒng)溫度傳感器的商品。所有與溫度相關(guān)

15、的光學(xué)現(xiàn)象或特性．本質(zhì)上都可以用于溫度測量．基于此．用于溫度測量的現(xiàn)有光學(xué)技術(shù)相當(dāng)豐富。對于光纖溫度傳感器的研究占到將近所有光纖傳感器研究的20％。光纖溫度傳感器的研究．除對現(xiàn)有器件進(jìn)行外場驗(yàn)證、完善和提高外，目前有以下幾個(gè)發(fā)展動向：大力發(fā)展測量溫度分布的測量技術(shù)．即由對單個(gè)點(diǎn)的溫度測量到對光纖沿線上溫度分布．以及大面積表面溫度分布的測量：開發(fā)包括測量溫度在內(nèi)的多功能的傳感器：研制大型傳感器陣列．實(shí)現(xiàn)全光學(xué)遙測。光纖測溫傳感器是用光纖來

16、測量溫度的。有兩種方法可實(shí)現(xiàn)。一是利用被測表面輻射能隨溫度的變化而變化的特點(diǎn)；</p><p>　　5 光纖傳感器的基本原理</p><p>　　在光纖中傳輸?shù)膯紊獠捎萌缦滦问降姆匠瘫硎綞=式中，是光波的振幅：w是角頻率；為初相角。該式包含五個(gè)參數(shù)，即強(qiáng)度、頻率w、波長、相位（wt+）和偏振態(tài)。光纖傳感器的工作原理就是用被測量的變化調(diào)制傳輸光光波的某一參數(shù)，使其隨之變化，然后對已知調(diào)制

17、的光信號進(jìn)行檢測，從而得到被測量。當(dāng)被測物理量作用于光纖傳感頭內(nèi)傳輸?shù)墓獠〞r(shí)，使的強(qiáng)度發(fā)生變化，就稱為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器；當(dāng)作用的結(jié)果使傳輸光的波長、相位或偏振態(tài)發(fā)生變化時(shí)，就相應(yīng)的稱為波長、相位或偏振調(diào)制型光纖傳感器。</p><p><b>　　5.1強(qiáng)度調(diào)制</b></p><p>　　5.1.1 發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制傳感器的調(diào)制原理 </p><

18、p>　　光纖傳感器中發(fā)光強(qiáng)度的調(diào)制的基本原理可簡述為，以被測量所引起的發(fā)光強(qiáng)度變化，來實(shí)現(xiàn)對被測對象的檢測和控制。其基本原理如圖所示。光源S發(fā)出的發(fā)光強(qiáng)度為的光柱入傳感頭，在傳感頭內(nèi)，光在被測物理量的作用下強(qiáng)度發(fā)生變化，即受到了外場的調(diào)制，使得輸出發(fā)光強(qiáng)度產(chǎn)生與被測量有確定對應(yīng)關(guān)系的變化。由光電探測器檢測出發(fā)光強(qiáng)度的信號，經(jīng)信號處理解調(diào)就得到了被測信號。</p><p>　　5.1.2 發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制的方式&

19、lt;/p><p><b>　　利用光纖微彎效應(yīng)；</b></p><p>　　利用被測量改變光纖或者傳感頭對光波的吸收特性來實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制；</p><p>　　通過與光纖接觸的介質(zhì)折射率的改變來實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制；</p><p>　　在兩根光纖間通過倏逝波的耦合實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制；</p><p>

20、;　　利用發(fā)送光纖和接收光纖作相對橫向或縱向運(yùn)動實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制，這是當(dāng)被測物理量引起接收光纖位移時(shí)，改變接收發(fā)光強(qiáng)度，從而達(dá)到發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制的目的。這種位移式發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制的光纖傳感器是一種結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)較為成熟的光纖傳感器。</p><p>　　5.1.3 發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制型傳感器分類</p><p>　　根據(jù)其調(diào)制環(huán)節(jié)在光纖內(nèi)部還是在光纖外部可以分為功能型和非功能型兩種。強(qiáng)度調(diào)制式光纖傳感器

21、的特點(diǎn) 解調(diào)方法簡單、響應(yīng)快、運(yùn)行可靠、造價(jià)低。缺點(diǎn)是測量精度較低，容易產(chǎn)生偏移，需要采取一些自補(bǔ)償措施。</p><p>　　5.2相位調(diào)制 光纖傳感器的基本原理</p><p>　　通過被測量的作用，使光纖內(nèi)傳播的光相位發(fā)生變化，再利用干涉測量技術(shù)把相位轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，從而檢測出待測的物理量。如圖5-40其中圖a、b、c分別為邁克爾遜、馬赫-曾德和法布里-珀羅式的全光纖干涉儀結(jié)構(gòu)。&

22、lt;/p><p>　　5.3 波長調(diào)制光纖傳感器的基本原理</p><p>　　波長調(diào)制傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖5-41。</p><p><b>　　6 光纖溫度傳感器</b></p><p>　　6.1幾種光纖溫度傳感器的原理和研究現(xiàn)狀</p><p>　　光纖溫度傳感器按其工作原理可分為功能型和傳

23、輸型兩種。功能型光纖溫度傳感器是利用光纖的各種特性f相位、偏振、強(qiáng)度等)隨溫度變換的特點(diǎn)，進(jìn)行溫度測定。這類傳感器盡管具有”傳”、”感”合一的特點(diǎn)．但也增加了增敏和去敏的困難。傳輸型光纖溫度傳感器的光纖只是起到光信號傳輸?shù)淖饔茫员荛_測溫區(qū)域復(fù)雜的環(huán)境．對待測對象的調(diào)制功能是靠其他物理性質(zhì)的敏感元件來實(shí)現(xiàn)的。這類傳感器由于存在光纖與傳感頭的光耦合問題．增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，且對機(jī)械振動之類的干擾較敏感．下面介紹幾種主要的光纖溫度傳感器的原

24、理和研究現(xiàn)狀。</p><p>　　6.1.1分布式光纖溫度傳感器</p><p>　　分布式光纖測溫系統(tǒng)是一種用于實(shí)時(shí)測量空間溫度場分布的傳感器系統(tǒng)。分布光纖傳感器系統(tǒng)最早是在1981年由英國南安普敦大學(xué)提出的．1983年英國的Hartog用液體光纖的拉曼光譜效應(yīng)進(jìn)行了分布式光纖溫度傳感器原理性實(shí)驗(yàn)．1985年英國的Dakin在實(shí)驗(yàn)室用氬離子激光器作為光源進(jìn)行了用石英光纖的拉曼光譜效應(yīng)的

25、分布光纖溫度傳感器測溫實(shí)驗(yàn)．同年Hartog和Dakin分別獨(dú)立地用半導(dǎo)體激光器作為光源，研制了分布光纖溫度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置：此后。分布光纖溫度傳感器得到了很大的發(fā)展．研究出了多種傳感機(jī)理．有的還使用了特種光纖。分布式光纖溫度傳感器是基于瑞利散射、布里淵散射、喇曼散射三種分布式溫度傳感器。分布式光纖傳感器從最初提出的基于光時(shí)域散射OTDR的瑞利散射系統(tǒng)開始．經(jīng)歷了基于0TDR的喇曼散射系統(tǒng)和基于0TDR的布里淵散射系統(tǒng)．使得測溫精度和范圍

26、大幅提高。光頻域散射OFDR)的提出也很早，但只有到了近期．伴隨著喇曼散射和布里淵散射研究的深入．使OFDR和它們結(jié)合才顯示出了它的優(yōu)越性?；?TDR和OFDR的分布式溫度光纖傳感器已經(jīng)顯示出了很大的優(yōu)越性．所以基于OTDR、0FDR的分布式溫度光纖傳感</p><p>　　6.1.2 光纖光柵溫度傳感器</p><p>　　光纖光柵溫度傳感技術(shù)主要研究通過外界物理參量對光纖布拉格（Br

27、agg）波長的調(diào)制來獲取傳感信息的光纖傳感技術(shù)。根據(jù)Bragg光纖光柵反射波長會隨溫度的變化而產(chǎn)生”波長移位”的原理制成光纖光柵溫度傳感器。1978年．加拿大渥太華通信研究中心的K．O．Hilltal等人首先發(fā)現(xiàn)摻鍺石英光纖的光敏效應(yīng)．采用注入法制成世界上第一只光纖光柵(FBG)，1989年，Morev首次報(bào)導(dǎo)將其用于傳感。英國T．A1lsoD利用橢圓纖芯突變型光纖研制出溫度分辨率為O．9℃、曲率分辨率為0．05的長周期光纖光柵曲率溫度

28、傳感器。意大利A．Iadicicco利用非均勻的稀疏布拉格光纖光柵fThFBGsl同時(shí)測量折射率和溫度．該傳感器的溫度分辨率為0．1℃．在折射率1．45、1．33附近的折射率分辨率分別為10-s、104。中科院上海光機(jī)所利用光纖光柵的金屬槽封裝技術(shù)將光纖光柵溫度傳感器的靈敏度提高到O．02℃：哈爾濱工業(yè)大學(xué)把光纖光柵粘貼在金屬半管上．使其分辨率達(dá)到0．04℃：黑龍江大學(xué)光纖技術(shù)研究所提出了一種光纖光柵fFBGl的Ti合金片封裝工藝，使溫

29、度靈敏度達(dá)到0．05℃。</p><p>　　6.1.3 光纖熒光溫度傳感器</p><p>　　光纖熒光溫度傳感器是目前研究比較活躍的新型溫度傳感器。熒光測溫的工作機(jī)理是建立在光致發(fā)光這一基本物理現(xiàn)象上。所謂光致發(fā)光是一種光發(fā)射現(xiàn)象．就是當(dāng)材料由于受紫外光、可見光或紅外光的光激發(fā)．所產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。出射的熒光參數(shù)與溫度有一一對應(yīng)關(guān)系．通過檢測其熒光強(qiáng)度或熒光壽命來得到所需的溫度的。強(qiáng)度型

30、熒光光纖傳感器受光纖的微彎曲、耦合、散射、背反射影響，造成強(qiáng)度擾動，很難達(dá)到高精度：熒光壽命型傳感器可以避免上述缺點(diǎn)，因此是采用的主要模式．熒光壽命的測量是測溫系統(tǒng)的關(guān)鍵。美國密西西比州立大學(xué)用一種商用的環(huán)氧膠作為溫度指示f含有多環(huán)芳烴化合物：PAHs)。PAHs在用紫外光激發(fā)時(shí)發(fā)熒光．熒光的強(qiáng)度隨環(huán)氧膠周圍的溫度的升高而減?。搨鞲衅骺杀O(jiān)測20℃～100℃范圍內(nèi)的溫度。日本東洋大學(xué)根據(jù)Tb：Si0，和Tb：YAG的光致發(fā)光(PL)光譜

31、與溫度有關(guān)．將其制成光纖溫度傳感器。在300～1200K的溫度下．Tb：Si0，的PL峰值在540nm時(shí)的光強(qiáng)隨溫度的升高單調(diào)減?。甌b：YAG晶體的PL譜的形狀隨溫度變化。韓國漢城大學(xué)發(fā)現(xiàn)lOcm長的Ybn、E一雙摻雜光纖在915nm處．兩熒光強(qiáng)度的比值在20℃～</p><p>　　6.1.4 干涉型光纖溫度傳感器</p><p>　　干涉型光纖溫度傳感器是一種相位調(diào)制型光纖傳感器。它

32、是利用溫度改變Mach—Zehnder干涉儀、Fabry—Perot干涉儀、Sagnac干涉儀等一些干涉儀的干涉條紋來外界測量溫度。英國的Samer K．Abi Kaed Bev用長周期光纖光柵做成Mach—Zehnder干涉型光纖溫度傳感器．其溫度分辨率為O．7℃。燕山大學(xué)研制出基于白光干涉的Fabrv—Perot光纖溫度傳感器．其測溫范圍為一40℃～100℃．分辨率為0．01℃。哈爾濱工程大學(xué)研制出數(shù)字式Mach—Zehnder干涉

33、型光纖傳感器．其測溫范圍為35cC～80℃，壓力、溫度、位移分辨率分別為0．03kPa、0．07℃、2．5斗m。</p><p>　　干涉式光纖溫度傳感器工作示意圖</p><p>　　6.1.5 基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器</p><p>　　基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器利用硅纖芯和塑料包層折射率差會隨溫度變化引起光纖孔徑的變化、光纖的突然彎曲引起的局部孔徑的變

34、化的原理測量溫度。烏克蘭采用EBOC伍ngIish—Bickford Optics Com—pany)生產(chǎn)的多模塑料包層硅纖芯光纖HCN～H，已做出基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器．其測溫范圍-30℃～70℃．靈敏度達(dá)到O．5℃。法國研究出測溫范圍-20℃～60℃。靈敏度為0。2℃的基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器。國內(nèi)主要是對光纖的彎曲損耗與入射波長、彎曲半徑、彎曲角度、彎曲長度、光纖參量和溫度等的關(guān)系做了一些研究。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示。&l

35、t;/p><p>　　6.2 幾種光纖溫度傳感器的特點(diǎn)及各自的研究方向</p><p>　　分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器和基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器分別具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和一定的不足，因此它們的研究方向不同。</p><p>　　6.2.1 分布式光纖溫傳感器</p><p>　　分布式光纖溫傳

36、感器具有其他溫度傳感器不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。它能夠連續(xù)測量光纖沿線所在處的溫度．測量距離在幾千米范圍．空間定位精度達(dá)到米的數(shù)量級。能夠進(jìn)行不問斷的自動測量．特別適用于需要大范圍多點(diǎn)測量的直用場合。目前對分布式光纖溫度傳感器研究的重點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)單根光纖上多個(gè)物理參數(shù)或化學(xué)參數(shù)的同時(shí)測量：提高信號接收和處理系統(tǒng)的檢測能力．提高系統(tǒng)的空間分辨率和測量不確定度：提高測量系統(tǒng)的測量范圍．減少測量時(shí)間：基于二維或多維的分布式光纖溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)。</p&

37、gt;<p>　　6.2.2 光纖光柵溫度傳感器</p><p>　　光纖光柵溫度傳感器除了具有普通光纖溫度傳感器的許多優(yōu)點(diǎn)外．還有一些明顯優(yōu)于其它光纖溫度傳感器的方面。其中最重要的就是它的傳感信號為波長調(diào)制。這一傳感機(jī)制的好處在于：測量信號不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等因素的影響：避免了一般干涉型傳感器中相位測量的不清晰和對固有參考點(diǎn)的需要：能方便地使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中

38、串接多個(gè)布喇格光柵進(jìn)行分布式測量：很容易埋人材料中對其內(nèi)部的溫度進(jìn)行高分辨率和大范圍地測量。盡管光纖光柵溫度傳感器有很多優(yōu)點(diǎn)．但在應(yīng)用中還需考慮很多因素：波長微小位移的檢測；寬光譜、高功率光源的獲得；光檢測器波長分辨率的提高；交叉敏感的消除；光纖光柵的封裝；光纖光柵的可靠性；光纖光柵的壽命。</p><p>　　6.2.3 光纖熒光溫度傳感器</p><p>　　光纖熒光溫度傳感器于其它光

39、纖溫度傳感器相比有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：由于熒光壽命與溫度的關(guān)系從本質(zhì)上講是內(nèi)在的．與光的強(qiáng)度無關(guān)．這樣就可以制成自較準(zhǔn)的光纖溫度傳感器．而一般的基于光強(qiáng)度檢測的光纖溫度傳感器f如輻射型1則因?yàn)橄到y(tǒng)的光傳輸特性往往與傳輸光纖和光纖耦合器等相關(guān)而需經(jīng)常校準(zhǔn)：測量范圍廣，特別在高溫情況下多用光纖熒光溫度傳感器。目前國外的研究主要圍繞著熒光源的選擇．主要為下面幾個(gè)方面：藍(lán)寶石和紅寶石發(fā)光、稀土發(fā)光及半導(dǎo)體吸收。</p><p&g

40、t;　　6.2.4 干涉型光纖溫度傳感器</p><p>　　干涉型光纖溫度傳感器的溫度分辨率高：動態(tài)響應(yīng)寬：結(jié)構(gòu)靈巧。研究干涉型光纖溫度傳感器的主要工作放在減小噪聲干擾和信號解調(diào)上。</p><p>　　6.2.5 基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器</p><p>　　基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、測量方便不需要解調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。但是它還存在著很

41、多的不足：測量精度低；由于它是強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器，光源的穩(wěn)定性對其影響很大；使用壽命短等缺點(diǎn)。在今后的研究中主要從光纖的選擇、測量條件的提高等方面開展工作。</p><p>　　7 光纖溫度傳感器的應(yīng)用</p><p>　　光纖溫度傳感自問世以來．主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)、建筑、化工、航空航天、醫(yī)療以至海洋開發(fā)等領(lǐng)域，并已取得了大量可靠的應(yīng)用實(shí)績。</p><p>　　

42、7.1.1 光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)有著重要的應(yīng)用</p><p>　　電力電纜的表面溫度及電纜密集區(qū)域的溫度監(jiān)測監(jiān)控；高壓配電裝置內(nèi)易發(fā)熱部位的監(jiān)測；發(fā)電廠、變電站的環(huán)境溫度檢測及火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)；各種大、中型發(fā)電機(jī)、變壓器、電動機(jī)的溫度分布測量、熱動保護(hù)以及故障診斷；火力發(fā)電廠的加熱系統(tǒng)、蒸汽管道、輸油管</p><p>　　道的溫度和故障點(diǎn)檢測：地?zé)犭娬竞蛻魞?nèi)封閉式變電站的設(shè)備溫度監(jiān)測等

43、等。</p><p>　　7.1.2 光纖溫度傳感應(yīng)用于建筑、橋梁上</p><p>　　光纖光柵溫度傳感器很容易埋人材料中對其內(nèi)部的溫度進(jìn)行高分辨率和大范圍地測量．因而被廣泛的應(yīng)用于建筑、橋梁上。美國、英國、日本、加拿大和德國等一些發(fā)達(dá)國家早就開展了橋梁安全監(jiān)測的研究．并在主要大橋上都安裝了橋梁安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。用來監(jiān)測橋梁的應(yīng)變、溫度、加速度、位移等關(guān)鍵安全指標(biāo)。1999年夏，美國新墨

44、西哥Las Cmces lO號洲際高速公路的一座鋼結(jié)構(gòu)橋梁上安裝了120個(gè)光纖光柵溫度傳感器．創(chuàng)造了單座橋梁上使用該類傳感器最多的記錄。</p><p>　　7.1.3 光纖溫度傳感在航空航天業(yè)的應(yīng)用</p><p>　　航空航天業(yè)是一個(gè)使用傳感器密集的地方．一架飛行器為了監(jiān)測壓力、溫度、振動、燃料液位、起落架狀態(tài)、機(jī)翼和方向舵的位置等，所需要使用的傳感器超過100個(gè)．因此傳感器的尺寸和重

45、量變得非常重要。光纖傳感器從尺寸小和重量輕的優(yōu)點(diǎn)來講．幾乎沒有其他傳感器可以與之相比。</p><p>　　7.1.4 傳感器的小尺寸在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是非常有意義的</p><p>　　光纖光柵傳感器是現(xiàn)今能夠做到最小的傳感器。光纖光柵傳感器能夠通過最小限度的侵害方式對人體組織功能進(jìn)行內(nèi)部測量。提供有關(guān)溫度、壓力和聲波場的精確局部信息。光纖光柵傳感器對人體組織的崗廠陰，等：光纖溫度傳感器的研究

46、和應(yīng)州損害非常?。阋员苊鈱φａt(yī)療過程的干擾。</p><p>　　7.1.5 光纖光柵傳感器永久井下測量的應(yīng)用</p><p>　　因其抗電磁干擾、耐高溫、長期穩(wěn)定并且抗高輻射非常適合用于井下傳感．挪威的Optoplan正在開發(fā)用于永久井下測量的光纖光柵溫度和壓力傳感器。</p><p>　　9 畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和采用的研究方案</p><p

47、>　　9.1 光纖溫度傳感器的設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)光纖彎曲損耗的理論分析，光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)由三大部分組成：溫度敏感頭、傳輸與信號處理部分，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。</p><p>　　9.1.1 溫度敏感頭</p><p>　　溫度敏感頭是溫度傳感器中最主要的部件，是將所測量溫度轉(zhuǎn)換成能夠直接測量的參數(shù)，在這里，是轉(zhuǎn)換成光纖的損耗大小，同等狀態(tài)

48、下，損耗大，探測器接收到的光功率小，反之，接收到功率就大。溫度傳感頭主要由多模光纖與金屬構(gòu)件組成，如圖3 所示，將光纖施加一定的張力后直接加載在多邊形金屬構(gòu)件上，固定好后將光纖兩端頭引出，在引出光纖的兩端制作連接器，外加光纖保護(hù)措施，傳感頭主要工序就已經(jīng)完成了。金屬零件隨溫度高低不同產(chǎn)生形變也不一樣，加載在零件上光纖彎曲損耗大小隨之改變金屬件受到溫度越高，形變越大，在光源輸出光功率穩(wěn)定情況下，光纖彎曲損耗增加時(shí)，探測器接收到的光功率就會

49、減小，反之，接收到的光功率增大。當(dāng)傳感頭處的溫度場發(fā)生變化時(shí)，通過探測器將接收到的不同光信號轉(zhuǎn)換成電信號，進(jìn)一步處理、計(jì)算，輸出外界的溫度值大小。金屬零件在熱變形時(shí)，其變形量不僅與零件尺寸、組成該形體的材料線膨脹系數(shù)α、環(huán)境溫度t 有關(guān)，而且與形體結(jié)構(gòu)因子(取決于幾何參數(shù))有關(guān)，計(jì)算比較復(fù)雜，在這里采用傳統(tǒng)的公式模擬來計(jì)算：</p><p>　　Lt=L[1+α (t-20°C)]

50、 (5)</p><p>　　式中，Lt—溫度t 時(shí)的尺寸；L—20℃時(shí)的尺寸；α—線膨脹系數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式比較復(fù)雜，可選用平均線膨脹系數(shù)，經(jīng)過查表可知。為了提高傳感器的靈敏度，溫度敏感頭金屬材料需選用膨脹系數(shù)較大的，且膨脹系數(shù)在整個(gè)溫度測量區(qū)間要較穩(wěn)定，有較好重復(fù)性；溫度敏感頭的結(jié)構(gòu)形狀也是要考慮的另一個(gè)因素，不同的形狀，對靈敏度影響很大。要提高傳感頭對溫度的響應(yīng)時(shí)間，需要選用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料，比

51、熱越小越好，在溫度突變時(shí)，能快速響應(yīng)。經(jīng)過課題組反復(fù)計(jì)算與試驗(yàn)，選用成本較低、加工容易、導(dǎo)熱較快，并且滿足使用范圍的金屬材料鋁。通過試驗(yàn)，傳感器在-40°C～＋80°C溫度范圍內(nèi)均可精確工作。</p><p>　　9.1.2 傳輸部分</p><p>　　光纖在這里不僅要作為轉(zhuǎn)換器件使用，同時(shí)也作為光信號傳輸載體，選用對彎曲損耗更敏感的多模光纖，一般地采用62.5/12

52、5μm 標(biāo)準(zhǔn)的多模光纖。由于加載光纖時(shí)要施加一定的張力控制，使得光纖纏繞在金屬零件上，光纖本身就比較容易損壞，敏感頭處光纖長時(shí)間受到一定內(nèi)應(yīng)力作用，必須對光纖的涂層進(jìn)行加固耐磨處理，增加傳感器使用的可靠性。</p><p>　　9.1.3 信號處理部分</p><p>　　主要由發(fā)光管、探測器的驅(qū)動電路與數(shù)字電路處理兩部分組成，發(fā)光管、探測器的驅(qū)動電路技術(shù)已經(jīng)非常成熟。數(shù)字電路處理主要使用

53、價(jià)廉物美的單片機(jī)，CPU使用美國ATMEL 公司生產(chǎn)的AT89C52 單片機(jī)，是一塊具有低電壓、高性能CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和256bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），全部采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS－51 指令系統(tǒng)及8052 產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8 位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強(qiáng)大。A/D 轉(zhuǎn)換采用A

54、D 公司生產(chǎn)的12 位D574A 芯片，轉(zhuǎn)換時(shí)間位25μs，數(shù)字位數(shù)可設(shè)定為12 位，也可設(shè)為8 位，內(nèi)部集成有轉(zhuǎn)換時(shí)鐘、參考電壓和三態(tài)輸出鎖存，可以與微機(jī)直接接口。為了方便在現(xiàn)場使用，光纖溫度傳感器擴(kuò)展了LCD 顯示接口，同時(shí)還擴(kuò)展了一個(gè)RS-232 通信口，用于同上位機(jī)進(jìn)行通信，將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，進(jìn)一步分析處理。整個(gè)監(jiān)控程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要的功能模塊有：系統(tǒng)初始化，A/D 采樣周期設(shè)定，數(shù)字濾波，數(shù)據(jù)處理，串行通信，

55、中</p><p>　　9.2 試驗(yàn)檢驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理</p><p>　　已經(jīng)制作好的溫度敏感頭通過試驗(yàn)測試。</p><p>　　第一步，在溫度敏感頭的一端光纖連接器上加載穩(wěn)定的短波長的光源，另一端接與之相匹配的光功率計(jì)，將溫度敏感頭置入恒溫槽中；</p><p>　　第二步，設(shè)置恒溫槽溫度，觀察光功率計(jì)值的變化情況，要滿足在測量的整個(gè)工作區(qū)

56、間光功率都有變化；</p><p>　　第三步，定點(diǎn)測量，設(shè)定幾個(gè)或更多溫度點(diǎn)，記錄下，溫度與光功率對應(yīng)值，反復(fù)多次試驗(yàn)，觀察溫度敏感頭的重復(fù)性。光纖溫度傳感頭通過試驗(yàn)測試，將溫度與光功率相對應(yīng)數(shù)據(jù)制成表格，具體見表1 所示，曲線圖見圖4。</p><p>　　通過上述試驗(yàn)表明，光線溫度傳感器滿足使用要求，重復(fù)性非常好，加載發(fā)光管與探測器驅(qū)動電路以及信號處理電路，整體調(diào)試傳感器，觀察溫度與

57、傳感器輸出的電壓值關(guān)系，重復(fù)操作上述試驗(yàn)第二、第三步，具體的溫度與電壓相轉(zhuǎn)換值見表2，曲線圖見圖5。</p><p>　　通過觀察上述兩個(gè)曲線，形狀基本一致，重復(fù)性較好，表明傳感器整體性能滿足要求。將幾個(gè)特殊點(diǎn)電壓值送到單片機(jī)進(jìn)行處理，采用直線插值擬合或者最小二乘法曲線擬合，輸出溫度值。通過實(shí)測檢驗(yàn)，與標(biāo)準(zhǔn)溫度值誤差最大值為±1°C，基于金屬熱膨脹式的光纖溫度傳感器設(shè)計(jì)是成功的，傳感器整體測試

58、精度較高。</p><p><b>　　9.3 設(shè)計(jì)方案 </b></p><p>　　系統(tǒng)原理如圖1 所示,采用可見光將光束直接射入2根經(jīng)端面處理且并排放置的光纖中,同時(shí)為使2 根光纖輸出的光強(qiáng)近似相等且最大,采用2個(gè)不同焦距的透鏡來增強(qiáng)光的耦合程度。根據(jù)馬赫2曾德干涉原理,在出口處2 路光纖并排緊密放置,發(fā)生干涉。隨后由CCD 傳感器接收,并</p>

59、<p>　　在監(jiān)視器上觀測溫度變化時(shí)條紋的變化規(guī)律。一方面通過溫度標(biāo)定得到溫度與條紋數(shù)的對應(yīng)關(guān)系, 另一方面使用MATLAB 對采集到的干涉圖像進(jìn)行處理,通過程序自動判別條紋數(shù)。從而得到溫度的變化值,實(shí)現(xiàn)光纖溫度傳感測量。</p><p>　　1 馬赫2澤德干涉型光纖溫度傳感器裝置</p><p>　　9.3.1 實(shí)現(xiàn)方法與現(xiàn)象</p><p>&l

60、t;b>　　(1) 平臺的搭建</b></p><p>　　為了得到較好的效果,實(shí)現(xiàn)中應(yīng)注意以下問題:</p><p>　　①耦合問題:在光纖傳感系統(tǒng)中,各部件采用耦合效率較高的凸透鏡耦合,如圖2 所示。將激光器放在凸透鏡的焦點(diǎn)上,使其為平行光,然后再用另一個(gè)凸透鏡將平行光聚集到光纖端面上。整個(gè)耦合系統(tǒng)調(diào)整組裝比較容易,使用方便。</p><p>

61、　　圖2 光路耦合示意圖</p><p>　?、诠饴窚?zhǔn)直:搭建實(shí)驗(yàn)平臺時(shí)要注意使整個(gè)光路平行于平臺,這就需要利用光屏十字法來校準(zhǔn)光路。首先確定激光束與實(shí)驗(yàn)平臺平行;其次在光路上分別加上透鏡,調(diào)整光具座使透鏡前后的光斑落在十字的中心位置。并且依據(jù)透鏡焦距,使光纖的端面盡量位于透鏡的焦點(diǎn)上。如</p><p><b>　　圖3 所示。</b></p>&l

62、t;p>　　圖3 光路準(zhǔn)直示意圖</p><p><b>　　(2) 產(chǎn)生的現(xiàn)象</b></p><p>　　根據(jù)前面論述的方案,通過光路調(diào)整等一系列過程,得到干涉圖像如圖4 所示。通過使光纖的感溫部分受熱,可以在監(jiān)視器上觀察到條紋的變化。當(dāng)溫度升高時(shí),條紋幾近勻速地向右移動;當(dāng)溫度降低時(shí),條紋向相反的方向移動。這樣的變化較為規(guī)律,但是對于溫度檢測電路來說,

63、要求溫度變化可測,從而得到定量的關(guān)系;對于圖像檢測而言,條紋要盡量清晰,明暗對比強(qiáng)烈,才能在圖像處理時(shí)減少不必要的誤差。</p><p>　　圖4 　干涉條紋圖像</p><p>　　9.3.2 信號檢測及處理</p><p><b>　　1 溫度標(biāo)定</b></p><p>　　(1) 方案: 為使感溫部分的光纖均勻受

64、熱,選擇2個(gè)5cm的薄銅片將光纖夾入其中。使用電烙鐵為其加熱,使其溫度變化范圍加大,條紋移動明顯。對于其他不感溫光纖,將其固定在絕熱平臺上,減小熱源的影響。</p><p>　　(2) 電路設(shè)計(jì):本文使用熱敏電阻標(biāo)定溫度與干涉條紋數(shù)之間關(guān)系,由于熱敏電阻隨溫度變化呈指數(shù)規(guī)律,即其非線性是十分嚴(yán)重的。當(dāng)進(jìn)行溫度測量時(shí),應(yīng)考慮將其進(jìn)行線性化處理。測溫電路如圖5 所示。</p><p><

65、b>　　圖5 　測溫電路</b></p><p>　　本系統(tǒng)中所用的熱敏電阻為負(fù)溫度系數(shù)。其特性可</p><p>　　以表示為:R(t) = R(t0)expB1T-1T0(1)式中:、R(t)、R(t0)分別為溫度T 和T0 時(shí)的電阻值。根據(jù)式(1)以及壓阻變換關(guān)系可以得到下面這個(gè)最終的根據(jù)電壓的變化從而測得溫度變化的表達(dá)式:1T=1BlnUtUt0+1T0(2)&l

66、t;/p><p><b>　　(3) 數(shù)據(jù)處理</b></p><p>　　在測量過程中,為找到合適的電壓測量點(diǎn),選擇時(shí)間為參考因素,以60 s 為一個(gè)階段,測量一次熱敏電阻兩端電壓,記錄電壓值,并根據(jù)公式得對應(yīng)的溫度,求得Δt。同時(shí)記錄在這些點(diǎn)間的條紋移動數(shù)量,記為Δn。根據(jù)Δt 和Δn 可得到溫度與條紋之間的函數(shù)關(guān)系。</p><p><

67、b>　　(4) 結(jié)果分析</b></p><p>　　設(shè)條紋變化數(shù)為Δy ,溫度變化數(shù)為Δx ,則根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到這樣一個(gè)近似線性的函數(shù)關(guān)系式:Δy = 8.30Δx。即溫度升高1 ℃,條紋移動8.30個(gè)。如果標(biāo)定起始溫度,根據(jù)這一關(guān)系,即可得到變化后的溫度值。</p><p>　　9.3.3 干涉條紋圖像采集與處理</p><p>　　采用M

68、VPCI 專業(yè)圖像采集卡采集干涉條紋圖像,采集程序如圖6 所示。并對圖像做如下處理(見圖7) : 對CCD 采集下來的圖像(見7 (a) ) 需調(diào)用imfilter進(jìn)行圖像濾波(濾波結(jié)果見圖7 ( b) ) 。并使用閾值操作將圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像(見圖7 (c) ) ,從而很好地將對象從背景中分離出來。通常溫度的判斷基于處理后的條紋圖像,因此需采用邊緣檢測來提取圖像的特征。在MATLAB 中使用專門的邊緣檢測edge 函數(shù),調(diào)用Sobel

69、 算子進(jìn)行檢測。結(jié)果如圖7 (d) 所示。</p><p><b>　　采集流程圖</b></p><p>　　圖7 　干涉條紋圖像采集與處理</p><p>　　9.3.4 條紋記數(shù)程序設(shè)計(jì)</p><p>　　(1) 設(shè)計(jì)思路:根據(jù)邊緣檢測后條紋的圖像質(zhì)量,提取圖像質(zhì)量較好的橫坐標(biāo)為80 的一行元素的像素大小,對其進(jìn)

70、行掃描,得到像素大小為1 的位置,即條紋邊緣的位置;由于邊緣提取得到的條紋是原來?xiàng)l紋的輪廓,所以2個(gè)邊緣構(gòu)成一個(gè)亮或暗條紋。因此需要將提取出來的邊緣位置與原圖像進(jìn)行對比,從而對條紋精確定位;判定離標(biāo)定位置最近的亮條紋的分布情況,找到條紋移動規(guī)律;計(jì)算條紋移動周期,借鑒光學(xué)測量中的相位展開原理,將圖像變換為近似線性的曲線,從而得到條紋移動過總的像素值,除以周期,即得條紋移動個(gè)數(shù)。程序模塊流程圖如圖8 所示。</p><

71、p>　　(2) 結(jié)果分析：通過上面的程序計(jì)算,得到距離標(biāo)志位32 最近的亮條紋位置R 的變化情況(見圖9) 。可看出, R 的值是有規(guī)律地在變化,表明R 存在周期性。通過程序中得到的r (條紋邊緣像素) 計(jì)算周期,即T = 22 。根據(jù)相位展開的相關(guān)原</p><p>　　圖8 　條紋記數(shù)程序流程圖</p><p>　　理,把像素值小于32 ,且與其前相鄰一個(gè)像素的差大于某一值時(shí),將

72、其加上一個(gè)周期,轉(zhuǎn)換為類似線性的函數(shù),如圖10 所示。由圖(10) 可以得到移動條紋總的像素值M = 820 ,除以展開周期T = 22 , 即可以判別移動條紋個(gè)數(shù)N =M/ T = 37 。由于確定的判別像素間距,程序在條紋小范圍左右徘徊的狀態(tài)時(shí)難以判別,會產(chǎn)生誤差。因此,程序計(jì)算得到的數(shù)據(jù)與前面測溫時(shí)數(shù)出來的條紋個(gè)數(shù)41～46 (120s)近似，說明此程序的處理較為正確。此時(shí),根據(jù)前面溫度檢測得到的結(jié)果,即條紋數(shù)與溫度變化的關(guān)系Δy

73、 = 8. 30Δx ,得到溫度變化值Δx =Δy/ 8. 30 = N/ 8. 30 = 4. 46 ℃,對照前面熱敏電阻計(jì)算的溫度變化值5. 27 ℃,結(jié)果較為一致。說明此程序可以用來判定條紋個(gè)數(shù),對應(yīng)溫度變化與條紋數(shù)的關(guān)系,就可以得到溫度變化值,從而實(shí)現(xiàn)光纖溫度傳感測量。</p><p>　　圖9 　 距標(biāo)定位置最近的亮條紋分布圖</p><p>　　圖10 　展開后的圖像</

74、p><p><b>　　10 結(jié)束語</b></p><p>　　11 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）參考文獻(xiàn)</p><p>　　[1]張志鵬, W A. Gambling，著，光纖傳感器原理，中國計(jì)量出版社，1991</p><p>　　[2]王玉田. 光電子學(xué)與光纖傳感器技術(shù)[M] . 北京: 國防工業(yè)出版社, 2003.</

75、p><p>　　[5]廖延彪. 光纖光學(xué)[M] . 北京:清華大學(xué)出版社,2000.</p><p>　　[6]許忠保, 葉虎年, 葉　梅. 半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器[J ] . 半導(dǎo)體光電, 2004 , 25 (1) : 62264.</p><p>　　[7]趙仲剛, 杜柏林, 逢永秀, 等. 光纖通信與光纖傳感[M] . 上海: 上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社, 19

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77、華大學(xué)學(xué)</p><p>　　報(bào)(自然科學(xué)版)，2001</p><p>　　[14]黃玲.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡述 [J]</p><p>　　[15]傳感器世界.2005.11（10）</p><p>　　[16]UDD E , SEIM J . Fiber optic sensor for inf rast ructure applicati