光纖傳感器的應(yīng)用及發(fā)展

1、光纖傳感器的應(yīng)用及發(fā)展作者：李曉云 學(xué)號： 專業(yè)：10應(yīng)用物理學(xué)摘要：本文簡要介紹了光纖傳感器的特點(diǎn)，綜述了光纖傳感器的發(fā)展以及近期國際上光纖傳感器的研究和應(yīng)用情況，最后描述了其前景和發(fā)展趨勢。關(guān)鍵字：光纖傳感器，光纖，參量的變化，信號檢測，測量，光纖陀螺儀，發(fā)展前景引言光纖傳感器的歷史可追溯到上世紀(jì)70年代。那時，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)行由查爾斯M戴維斯博士主持的Foss(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,光纖傳感器在世

2、界的許多實(shí)驗(yàn)室里出現(xiàn)。由于其具有常規(guī)傳感器所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)和廣闊的發(fā)展前景，很多國家不遺余力地加大對光纖傳感器的研究力度，涌現(xiàn)出許多成果。但它仍存在諸如價格昂貴、技術(shù)不夠成熟等瓶頸，這使得它在工程上的應(yīng)用較少。隨著新方法、新工藝不斷被引入，大量低價位高性能光纖傳感器問世，而光纖與其他學(xué)科理論相結(jié)合不僅使光纖傳感器在信號檢測精度、傳輸減損、信號處理方面有了很大的提高，而且其應(yīng)用領(lǐng)域也越加廣闊。本文簡要地介紹了光纖傳感器的特點(diǎn)，并對光纖傳感器近期的發(fā)展動態(tài)進(jìn)行簡要地概述。1.光纖傳感器的特點(diǎn)光纖傳感器由光源、傳輸光纖、傳感元件或調(diào)制區(qū)、光檢測等部分組成。眾所周知，描述光波特征的參量很多(如光強(qiáng)、波

3、長、振幅、相位、偏振態(tài)和模式分布等)，這些參量在光纖傳輸中都可能會受外界影響而發(fā)生改變。如當(dāng)溫度、壓力、加速度、電壓、電流、位移、振動、轉(zhuǎn)動、彎曲、應(yīng)變以及化學(xué)量和生物化學(xué)量等對光路產(chǎn)生影響時，均會使這些參量發(fā)生相應(yīng)變化，光纖傳感器就是根據(jù)這些參量隨外界因素的變化關(guān)系來檢測各相應(yīng)物理量的大小。圖1是光纖傳感器的結(jié)構(gòu)框圖：與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器具有抗電磁干擾、靈敏度高、耐腐蝕、頻帶寬、動態(tài)范圍大及測量對象廣泛等特點(diǎn)，而且在一定條件下可任意彎曲，可根據(jù)實(shí)際需要做成各種形狀。其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、耗能小等等，正由于它的這些優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊，市場前景也比較廣。2.國內(nèi)外光纖傳感器

4、的發(fā)展情況美國是最早研制光纖傳感器并投資最大的國家，并且取得了很大的成就。從1977開始由美國海軍研究所主持的光纖傳感器系統(tǒng)共有5個公司參加，主要研究方向是水聲器、磁強(qiáng)計(jì)和其它水下檢測有關(guān)設(shè)備。1980年開始研究，1984年進(jìn)行飛行實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)代數(shù)字光纖控制系統(tǒng)（ADOSS），采用光纖譯碼的光纖傳感器系統(tǒng)代替直升飛機(jī)駕駛員的控制，最終將實(shí)現(xiàn)用光纖液壓傳動系統(tǒng)代替電源。另外，光纖陀螺（FOG）計(jì)劃、核輻射監(jiān)控（NRM）計(jì)劃、飛機(jī)發(fā)動機(jī)監(jiān)控（AEM）計(jì)劃、民用研究計(jì)劃（CRP）使光纖傳感器技術(shù)迅猛發(fā)展，在軍事、民用、電力、監(jiān)控、橋梁、醫(yī)學(xué)生物檢測等方面得到廣泛應(yīng)用。3.光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用

5、非常廣泛，幾乎涉及國民經(jīng)濟(jì)的所有重要領(lǐng)域和人們的日常生活。在現(xiàn)代信息社會中，傳感器技術(shù)迅猛發(fā)展，其中光纖傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用非常廣泛，包括工業(yè)、軍事、醫(yī)療、通訊、過程控制以及惡劣環(huán)境下物理量的測量，如光纖傳感器在石油領(lǐng)域中的應(yīng)用、在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用、在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用、在土木工程中的應(yīng)用、在環(huán)境監(jiān)控中的應(yīng)用、在飛機(jī)上的應(yīng)用、在電力系統(tǒng)上的應(yīng)用等等?！爸袊?010年遠(yuǎn)景規(guī)劃”已將傳感器列為重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一，隨著我國加入世界貿(mào)易組織，傳感器的市場需求和發(fā)展空間的潛力是非常大的。（1）光纖傳感器在石油領(lǐng)域中的應(yīng)用眾所周知，在石油領(lǐng)域中需要測量的量很多，其中主要有地表輸油管道的流量測量以及地下油井流量

6、的測量，流量是確定石油產(chǎn)業(yè)和傳輸特性極重要的參數(shù)?？墒凸I(yè)中被測量體成分和物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，流動狀態(tài)多種多樣，再加上工作現(xiàn)場條件十分惡劣，很難進(jìn)行測量。光纖流量傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，比其它流量傳感器有明顯優(yōu)勢，在石油工業(yè)中發(fā)揮極其重要的作用。（2）光纖傳感器在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用光纖聲納陣。聲納是現(xiàn)代反潛戰(zhàn)中的主要探測手段，利用光纖聲納陣可探測水下敵方的潛艇。目前，光纖聲納陣已處于現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)階段，不久將來將成為現(xiàn)代反潛戰(zhàn)的重要探測、定位手段。光纖陀螺儀。光纖陀螺儀可應(yīng)用在各種制導(dǎo)武器中，它在測量導(dǎo)彈的姿態(tài)、實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)、控制和目標(biāo)跟蹤中占有極其重要地位，它對提高制導(dǎo)武器的制導(dǎo)精度起著極為重要的作用，甚至

7、可以說起著關(guān)鍵性和決定性作用。在上個世紀(jì)末，光纖陀螺儀已投入部隊(duì)使用。（3）光纖傳感器在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用醫(yī)用傳感器是醫(yī)學(xué)測量儀器的第一環(huán)節(jié)，是醫(yī)學(xué)儀器與人體直接耦合關(guān)鍵的器件?？梢哉f它在從定向醫(yī)學(xué)走向定量醫(yī)學(xué)發(fā)展過程中起到了重要作用，特別是光纖傳感器在觀察體內(nèi)器官、傳遞形態(tài)學(xué)檢查圖像中起到重要作用。目前，醫(yī)用光纖傳感器的研究與應(yīng)用正受到廣泛重視，種類也日趨繁多，功能和質(zhì)量也不斷完善，從而越來越顯示出光纖傳感技術(shù)在醫(yī)學(xué)應(yīng)用的廣泛前景。（4）光纖傳感器在土木工程中的應(yīng)用土木工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命較長，但是受負(fù)載的作用、疲勞效應(yīng)以及材料老化和腐蝕等不利因素的影響，整體結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生損傷積累和抗力衰減，致使其實(shí)際

8、使用壽命縮短，甚至可能造成塌方等災(zāi)難事件。于是,人們希望土木結(jié)構(gòu)有一定的感知失事或示警的智能功能，能“感知”內(nèi)部狀態(tài)變化并做出必要的預(yù)警或進(jìn)行自我修復(fù)。光纖傳感器集信息傳輸和傳感于一體，易與網(wǎng)絡(luò)連接，再加上耐高溫，抗腐蝕，是充當(dāng)土木工程結(jié)構(gòu)的“神經(jīng)元”的理想元件。其應(yīng)用特點(diǎn)是在土木工程結(jié)構(gòu)中(或在其表面)埋入(或粘貼)光纖傳感器，通過分析光的傳輸特性，如光強(qiáng)、相位和波長等，就可獲得光纖周圍材料的應(yīng)力、壓強(qiáng)、電磁場、密度、溫度等量的變化，從而實(shí)現(xiàn)對土木工程結(jié)構(gòu)的在線動態(tài)監(jiān)測與控制。光纖傳感器在土木工程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在：監(jiān)控結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與變形；對結(jié)構(gòu)開裂進(jìn)行檢測；對大體積混凝土測溫；組成傳感器網(wǎng)絡(luò)

9、，遙控監(jiān)測結(jié)構(gòu)性能；結(jié)構(gòu)安全預(yù)示報警。我國已將光纖傳感材料用于三峽大壩和部分橋梁的健康檢測和安全評定等，美國、日本、加拿大、英國等國家的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)也投入了大量精力研究光纖傳感器。（5）光纖傳感器在化學(xué)和生物學(xué)中的應(yīng)用當(dāng)前，在國外研究得比較多的化學(xué)和生物光纖傳感器主要有光吸收型傳感器，熒光型傳感器和衰減波形光纖傳感器三種。光吸收型傳感器的工作原理是根據(jù)測定被測物對特定波長的光產(chǎn)生吸收以及吸收的強(qiáng)度來確定被測物的種類和濃度大小。在海洋中，海水里所含的葉綠素和藻膽蛋白、黃色物質(zhì)、石油污染物、微量重金屬都有自己的特征吸收光譜，所以它們都能用這種光纖傳感器進(jìn)行測量。而且其結(jié)構(gòu)簡單、小型、而且牢固，能

10、夠直接在海洋現(xiàn)場進(jìn)行測量，測量精度高。熒光型化學(xué)和生物傳感器是通過測量物質(zhì)的特征熒光光譜來鑒別被測物質(zhì)的種類和濃度。對熒光的檢測有兩種方式：測量熒光淬滅或熒光增強(qiáng)；測量熒光壽命或測量熒光能量轉(zhuǎn)換。衰減波形化學(xué)和生物光纖傳感器的測量機(jī)理是根據(jù)光纖的導(dǎo)播原理研制而成。具體做法是把處于測量場的光纖的一小段光纖外層包皮去掉，在這段裸露的光纖上涂抹一層折射率小于纖芯折射率的物質(zhì)作為敏感層。在測量被測物時，敏感層對測量物產(chǎn)生吸附，結(jié)果導(dǎo)致光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，利用被測物與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)變化的相關(guān)性達(dá)到檢測的目的。這種傳感器目前可用來測量石油污染物和水的pH值等。4.光纖傳感器的研究近況和發(fā)展趨勢光纖傳感器不斷在各個領(lǐng)域得到應(yīng)用的同時，光纖傳感器自身也在不斷完善和產(chǎn)品翻新。人們根據(jù)光纖的不同特點(diǎn)開發(fā)出各種類型的產(chǎn)品，如：以波長調(diào)制為特點(diǎn)的光纖光柵傳感器；利用光學(xué)原理測量電流的光纖電流傳感器；對各種氣體的成分、濃度等參數(shù)進(jìn)行檢測和控制的光纖氣敏傳感器；集傳統(tǒng)傳感器和光纖傳感器優(yōu)點(diǎn)于一身的混合型光纖傳感器；為擴(kuò)展光纖傳感器在高電壓系統(tǒng)的在線監(jiān)測中的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)“無源”化而推出的微功耗太陽能光