光纖傳感器的應(yīng)用與發(fā)展

1、 光纖傳感器的應(yīng)用與發(fā)展摘要:本文主要闡述了傳光型光纖傳感器與傳感型光纖傳感器的基本原理,及光纖傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、分類、特點、現(xiàn)狀及發(fā)展趨，提出了光纖傳感技術(shù)存在的問題以及發(fā)展方向，并介紹了光纖傳感器的幾種應(yīng)用。關(guān)鍵詞:光纖傳感技術(shù) 調(diào)制 發(fā)展趨勢 應(yīng)用舉例Abstract: The principles of some kinds of optical fiber sensors are introduced ，and the optical fiber sensor's structure, the principle, the classification, the chara

2、cteristic, the present situation and the development hasten . The problems and developing direction of optical fiber sensing technology are proposed. At the same time introduced optical fiber sensor's several kind of applications.Key words: fiber optic sensing technology； modulation； trend of de

3、velopment； application example0 引言近幾年,傳感器產(chǎn)量的年增長率均保持在10%以上,目前全球從事傳感器生產(chǎn)和研制的單位達5000多家。傳感技術(shù)作為當(dāng)今世界迅猛發(fā)展起來的技術(shù)之一,已經(jīng)成為一個國家科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展的重要標(biāo)志。光纖傳感技術(shù)的出現(xiàn)與光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)的發(fā)展是分不開的，是一種嶄新的傳感技術(shù)。光纖傳感器是以光纖為材料的傳感器。本文闡述了光纖傳感技術(shù)，及光纖傳感器的原理、特點、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，并介紹了光纖傳感器的幾種應(yīng)用。1光纖傳感器的基本原理光纖傳感器是利用光在光纖中傳播特性的變化來檢測、量度它所受到的環(huán)境變化。通過被測物理量的變化來調(diào)制波導(dǎo)中的光波，

4、使光纖中的光波參量隨被測物理量的變化而改變，從而求得被測信號的大小。光纖傳感技術(shù)可分為傳光型和傳感型兩類。光纖傳感技術(shù)的核心是光纖傳感器,相應(yīng)的光纖傳感器也分為傳光型光纖傳感器和傳感型光纖傳感器。1.1傳光型光纖傳感器工作原理傳光型光纖傳感器也稱非功能型光纖傳感器或強度調(diào)制型光纖傳感器,光纖主要起傳輸光波的作用,傳光型光纖傳感器主要由光源、光纖、光調(diào)制器、敏感元件、光電探測器、檢測電路等組成。傳光型光纖傳感器的基本原理是待測物理量引起光纖中的傳輸光光強I變化,通過光強I的檢測實現(xiàn)對待測物理量的測量。強度調(diào)制的特點是簡單、可靠、經(jīng)濟。強度調(diào)制的方式很多,主要有反射式強度調(diào)制(如圖1所示)和透射式

5、強度調(diào)制(如圖2所示)圖1反射式強度調(diào)制原理圖圖2透射式強度調(diào)制原理圖1.2傳感型光纖傳感器工作原理傳感型光纖傳感器也稱功能型光纖傳感器,光纖既傳光又傳感,即還充當(dāng)敏感元件。對于傳感型光纖傳感器而言,當(dāng)光在光纖中傳播時,被測物理量或外界因素作用在光纖上,使得光纖中傳輸光的振幅、相位、波長、偏振態(tài)等發(fā)生改變,此過程為光調(diào)制,調(diào)制后的光經(jīng)光纖傳輸?shù)焦怆娞綔y器解調(diào)后轉(zhuǎn)換成電信號輸出。傳感型光纖傳感器的原理比傳光型光纖傳感器的復(fù)雜得多。傳感型光纖傳感器應(yīng)用最多的是相位調(diào)制型光纖傳感器或者干涉型光纖傳感器,即外界因素使光纖中傳輸光的相位變化,進而改變出射光(干涉光)的強度變化來達到測量目的。常用的干涉型

6、光纖傳感器有Michelson干涉式光纖傳感器、Mach-Zehnder干涉式光纖傳感器、Fabry-Perot(F-P)干涉式光纖傳感器、Sagnac干涉式光纖傳感器、Fizeau干涉式光纖傳感器等。干涉型光纖傳感器是高精度光纖傳感與測量技術(shù)的最佳選擇。2光纖傳感器分類根據(jù)調(diào)制區(qū)與光纖的關(guān)系，可將調(diào)制分為兩大類：一類為功能型調(diào)制，調(diào)制區(qū)位于光纖內(nèi)，外界信號通過直接改變光纖的某些傳輸特征參量對光波實施調(diào)制。這類光纖傳感器稱為功能型或本征型光纖傳感器，也稱內(nèi)調(diào)制型傳感器，光纖同具“傳”和“感”兩種功能。同光源耦合的發(fā)射光纖與同光探測器耦合的接收光纖為一根連續(xù)光纖，稱為傳感光纖，故功能型光纖傳感器

7、亦稱為全光纖型或傳感型光纖傳感器。另一類為非功能型調(diào)制，調(diào)制區(qū)在光纖之外，外界信號通過外加調(diào)制裝置對進入光纖中的光波實施調(diào)制，這類光纖傳感器稱為非功能型或非本征型光纖傳感器，發(fā)射光纖與接收光纖僅起傳輸光波的作用，稱為傳光光纖，不具有連續(xù)性，故非功能型光纖傳感器也稱為傳光型光纖傳感器或外調(diào)制型光纖傳感器。光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)不同又可分為強度調(diào)制光纖傳感器、相位調(diào)制光纖傳感器、頻率調(diào)制光纖傳感器、偏振調(diào)制光纖傳感器和波長（顏色）調(diào)制光纖傳感器。光纖傳感器按被測對象，又可分為光纖溫度傳感器、光纖位移傳感器、光纖濃度傳感器、光纖電流傳感器、光纖流速傳感器等。3光纖傳感器的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢3.1發(fā)

8、達國家光纖傳感器的現(xiàn)狀近年來，光纖傳感器作為一種新興的應(yīng)用技術(shù)，在許多領(lǐng)域顯示出強大的生命力。融合光學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、精密機械、微電子和計算機等學(xué)科為一體的光纖傳感技術(shù)，經(jīng)過30多年的研究開發(fā)，已為眾多的被測物理量找到了相應(yīng)的傳感方法和設(shè)計原理。目前，光纖傳感器可以對位移、壓力、溫度、速度、振動、液位、角度等70種物理量進行測量。一些工業(yè)發(fā)達國家，如美國、英國、德國和日本等國，均投入相當(dāng)多的人力、物力先后制定發(fā)展規(guī)劃，其研究重點在以下六個方面：光纖傳感器系統(tǒng)；現(xiàn)代數(shù)字光纖控制系統(tǒng)；光纖陀螺；核輻射監(jiān)控；飛機發(fā)動機監(jiān)控；民用計劃。3.2我國光纖傳感器的現(xiàn)狀我國光纖傳感器的研究工作主要自

9、1983年開始。近10年來，一些大學(xué)、科研院所、公司等都紛紛在這方面投入了大量的人力、物力使得光纖傳感技術(shù)得到飛速的發(fā)展。雖說國內(nèi)對高精度的光纖傳感器有不少報導(dǎo)，但真正形成大規(guī)模應(yīng)用和生產(chǎn)的卻少之又少，沒有能夠大規(guī)模的走出實驗室，面向工業(yè)界。近日，國家最大的光纖傳感器研究基地在武漢理工大學(xué)成立，這標(biāo)志著我國正努力讓實驗室里的光纖傳感器逐步走出實驗室，走向人們的實際生活和工業(yè)測量當(dāng)中。3.3光纖傳感器的發(fā)展趨勢經(jīng)過多年的開發(fā)和實際使用，光纖傳感器所反映出的主要問題是長時間的飄移，就其根源為來自光纖傳輸線的衰減，耦合器特性的不穩(wěn)定，光源輸出光功率不穩(wěn)定以及探測器的噪聲等。目前光纖傳感器研究趨勢：1

10、. 改進光纖傳感頭的調(diào)制形式，采用參考光路注入?yún)⒖夹盘柨梢韵晒鈱W(xué)結(jié)構(gòu)的飄移特性帶來的測量影響。2. 從單只傳感器向傳感器陣列的研究，外加微機控制以實現(xiàn)陣列的遙測遙控。加強基礎(chǔ)元器件的研究，以提高可靠性和穩(wěn)定性。3. 光纖傳感器的國際標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)已提上議事日程。4. 開發(fā)光纖傳感器的靈巧結(jié)構(gòu)，內(nèi)含光纖傳感器系統(tǒng)的復(fù)合材料已成為光纖靈巧構(gòu)件的研究熱點。4光纖傳感器的特點與傳統(tǒng)的傳感器不同，光纖優(yōu)良的物理、化學(xué)、機械以及傳輸性能，使光纖傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、抗電磁干擾、防腐蝕、靈敏度很高、測量帶寬很寬、檢測電子設(shè)備與傳感器可以間隔很遠等優(yōu)點,并可以構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)。先進的光纖傳感器的靈敏度比傳統(tǒng)的

11、傳感器高幾個數(shù)量級,可以測量的物理量已達70多種。總結(jié)起來它具有一下幾個優(yōu)點：1.精度高，響應(yīng)速度快，線性特征范圍寬，使用的重復(fù)性好，檢測信號的信噪比高，由于現(xiàn)在光纖的量產(chǎn)化，價格低廉，可以廣泛使用。2.光纖是由電介質(zhì)材料石英制成，傳輸?shù)氖枪庑盘?，因此安全性、可靠性好，抗電磁干擾能力強，能適應(yīng)在電力、石油、化工、冶金等易燃易爆或有毒的環(huán)境條件下工作。3.抗腐蝕，抗污染能力強，可用于溫差較大的地方，時間時間老化特性優(yōu)良，工作壽命長。4.體積小，重量輕，容易安裝，對被測對象環(huán)境適應(yīng)能力強。5.光纖是無源器件，自身獨立性好，不會破壞被測量的狀態(tài)。6.測量對象廣泛。目前已有性能不同的多種測量溫度、壓力

12、、位移、速度、液面、核輻射等各種物理量、化學(xué)量、生物量等的光纖傳感器。7.便于多點復(fù)用、傳輸損耗小，適合于組成測量網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多點實時智能化的遙測。5光纖傳感應(yīng)用舉例光纖傳感技術(shù)優(yōu)于其他傳感技術(shù)的原因在于它是在光纖通信的基礎(chǔ)上發(fā)展的，光纖通信擁有一個廣闊的市場，能提供一系列低價格的器件，更重要的是，它形成一門能為光纖傳感器所使用的基礎(chǔ)科學(xué)。光纖傳感技術(shù)由于相對于傳統(tǒng)傳感技術(shù)有著多方面的優(yōu)勢，從而在各個領(lǐng)域得到了普遍的應(yīng)用。下面就列出幾個它的主要應(yīng)用領(lǐng)域，并加以簡單說明。5.1過程控制用的物理傳感器和化學(xué)傳感器許多工廠的電磁環(huán)境和周圍空氣中含有的物質(zhì)，如重金屬、化學(xué)物、燃化油蒸汽等，都不利于常規(guī)電

13、傳感器和儀器的操作。因此，對高可靠性和安全性的非導(dǎo)電傳感器的需求很強烈。由于獨特的電絕緣性，賦予光纖傳感器的抗電磁干擾能力，還有其在易燃易爆場合的本證安全性，以及快速響應(yīng)和對腐蝕液體的抗拒性，使得光纖傳感器得到了很好的發(fā)展。在工礦企業(yè)中，光纖傳感器主要用于檢測溫度、位移、壓力、液位、加速度和流量等參數(shù)，也可用于爆炸性和可燃性油氣泄漏等場合。在過程控制中使用的，目前絕大部分是外在式（非本征）的光纖傳感器。典型的應(yīng)用有：開關(guān)型傳感器，溫度傳感器，機械傳感器（檢測壓力、位移、加速度、流量等），化學(xué)傳感器（檢測液位、油液泄漏、氣體等）。5.2化學(xué)、生物化學(xué)和醫(yī)用傳感器在這個測量應(yīng)用領(lǐng)域中，使用的基本換

14、能手段大部分都可以歸結(jié)在常規(guī)的化學(xué)測量傳感器的范疇內(nèi)。由光激發(fā)的原子或分子的各種可能態(tài)之間的躍遷具有相當(dāng)明確的特征，可以給出與該分子與周圍介質(zhì)耦合關(guān)系有關(guān)的豐富信息，因此，與化學(xué)結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息，可以通過對光吸收系數(shù)、熒光和拉曼光譜或斯托克斯頻移光的測量來獲取?；瘜W(xué)反應(yīng)的測定，通?？山柚壬噭┗蛑甘緞┯^察某一反應(yīng)產(chǎn)物，從而對直接參與反應(yīng)的各類物質(zhì)進行光測量來完成。由于光纖的應(yīng)用，使得遠程測量成為可能。首先低損耗的光纖使得光在光纖內(nèi)傳播幾公里遠而不需要任何中繼放大。這樣，光源和分析儀器可以放置在與樣品保持相當(dāng)距離的清潔環(huán)境中，無需前往現(xiàn)場取樣即可獲得檢測信號；其次，光纖探頭相當(dāng)小，可以安置在其他

15、類型的探頭難以到達的測定點處，同時細小的探頭也使試劑、原料的消耗更少。目前，這類傳感器的主要應(yīng)用有：氣體分析儀，折射率和液位傳感器，濁度（或散射）的測量，PH值傳感器，血氧測定計，CO2傳感器，葡萄糖分傳感器，醫(yī)用物理傳感器等。5.3光纖傳感器在航空和航海中的應(yīng)用航空工業(yè)是光纖傳感器最有潛力的用戶之一，這主要是因為光纖傳感器具有重量輕，以及相應(yīng)的傳導(dǎo)線具有抗輻射特性的優(yōu)點。光纖通訊在飛機上的應(yīng)用就充分表明了這一點。由于相鄰光纖之間絕對無串話干擾，所以整個布線就非常簡單。但是，由于航空業(yè)在接受新型儀器系統(tǒng)方面向來很保守，所以光纖傳感器的廣泛應(yīng)用還需要相當(dāng)長的時間。不過，環(huán)形激光陀螺儀作為導(dǎo)航儀的

16、使用，已表明了光學(xué)儀器在航空工業(yè)應(yīng)用的開端。光纖在航海工業(yè)的應(yīng)用潛力主要在軍事方面，而大多為海底應(yīng)用，但光纖在航海安全方面的應(yīng)用也在增加，其中最大的應(yīng)用潛力大概是在烴的勘探和運輸方面，比如，有的勘探平臺已安裝了可燃氣體傳感器，使用相當(dāng)成功。在航空和航海這兩個領(lǐng)域，光纖傳感器的主要應(yīng)用有：航空方面：光纖慣性傳感器（光纖陀螺儀）5，監(jiān)測控制表面位置的位移傳感器，用于碳素纖維復(fù)合材料制作性能監(jiān)測的植入式光纖傳感器，燃燒式渦輪發(fā)動機的先進檢測；航海方面：水聽器（尤其是后托式多元陣列），地磁儀。6結(jié)語隨著光纖通信技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是光纖與光電器件的理論、工藝水平和性能的不斷提高和完善，使光纖技術(shù)進入了

17、非通信領(lǐng)域。在現(xiàn)代信息社會中，隨著相關(guān)科學(xué)技術(shù)的進步和完善，光纖傳感技術(shù)及其應(yīng)用將有著越來越重要的地位?！爸袊?010年遠景規(guī)劃”已將傳感器列為重點發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將推動傳感器的發(fā)展，傳感器的市場需求是非常巨大的。光纖傳感器憑借著其大量的優(yōu)點已經(jīng)成為傳感器家族的后起之秀，并且在各種不同的測量中發(fā)揮著自己獨到的作用，成為傳感器家族中不可缺少的一員。光纖傳感器的市場發(fā)展空間的潛力是非常巨大的。參考文獻:1B.Culs haw，J.Dakin，光纖傳感器（李少慧，寧雅農(nóng)等譯）.武漢：華中理工大學(xué)出版社.1997.6067763.2馮流螢，劉培英.光纖液位傳感器.電子器件.1994（.4）：30-33.3李素珍.光纖傳感器的研究和應(yīng)用展望J.紅外與激光技術(shù).1994.6：1820.4趙仲剛等.光纖通信與光纖傳感M.上?？茖W(xué)技術(shù)文獻出版社.2001：382398.5王慧文.光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用M，北京：國防工業(yè)出版社.2001.89134.6廖延彪.光纖傳感技術(shù)對工業(yè)發(fā)展的促進作用J.物理,2003,32(9):323-3