光纤传感技术综述doc

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  PAGE PAGE 1 光纤传感技术综述 摘 要 光纤传感及其相应技术在经过了二十余年的研究和探索,已逐步迈入了实用化阶段.本文对光纤传感技术进行综述，特别对于光纤传感技术近年的发展做详细介绍。随着光纤技术与相关光电子元器件的发展，光纤传感技术正逐步成为继光纤通信产业高质量发展之后又一大光纤应用技术产业。光纤传感作为传感技术中一个重要分支正不断为工业、农业、交通、能源、医疗卫生、科学技术和军事技术的信息化提供愈来愈多的服务，并愈来愈为人们所认识与接受。 关键词：应用；产业化；进展 目 录 第一章 什么是光纤传感技术……………………………………2 1.1光纤传感技术的定义…………………………………………………… 2 1.2光纤传感技术简介……………………………………………………… 2 1.3光纤传感技术应用……………………………………………………… 3 第二章 光纤传感技术的发展……………………………………4 2.1光纤传感技术发展与产业化…………………………………………… 4 2.2几种光纤传感器发展现状……………………………………………… 5 2.3光纤传感技术的未来发展的新趋势………………………………………… 7 结束语………………………………………………………………8 参考文献……………………………………………………………8 什么是光纤传感技术 1.1光纤传感技术的定义 光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而快速地发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。光波不怕电磁干扰，易为各种光探测器件接收，可方便的进行光电或电光转换，易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配。 1.2光纤传感技术的简介 光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；在一定条件下，光纤特别容易接受被测量或场的加载，是一种优良的敏感元件；光纤本身不带电，体积小，质量轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，几乎在所有的领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术蒸蒸日上。 光纤传感，包含对外界信号（被测量）的感知和传输两种功能。所谓感知（或敏感），是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度（功率）、 波长、 频率、 相位和偏振态等发生明显的变化，测量光参量的变化即“感知”外界信号的变化。这种“感知”实质上是外界信号对光纤中传播的光波实时调制。所谓传输，是指光纤将受到外界信号调制的光波传输到光探测器进行仔细的检测，将外界信号从光波中提取出来并按有必要进行数据处理，也就是解调。因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术，即外界信号（被测量）如何调制光纤中的光波参量的调制技术（或加载技术）及如何从被调制的光波中提取外界信号（被测量）的解调技术（或检测技术）。 外界信号对传感光纤中光波参量进行调制的部位称为调制区。根据调制区与光纤的关系，可将调制分为两大类。一类为功能型调制，调制区位于光纤内，外界信号通过直接改变光纤的某些传输特征参量对光波实施调制。这类 光纤传感器称为功能型（FunctionalFiber，简称FF型）或本征型光纤传感器，也成为内调制型传感器，光纤同具“传”和“感”两种功能。于光源耦合的发射光纤同于光探测器耦合的接收光纤为一根连续光纤，称为传感光纤，故功能型光纤传感器亦称全光纤型或传感型光纤传感器。另一类为非功能型调制，调制区在光纤之外，外界信号通过外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制，这类光纤传感器称为非功能型（NonFunctionalFiber，简称NFF）或非本征型光纤传感器，发射光纤与接收光纤仅起传输光波的作用，称为传光光纤，不具有连续性，故非功能型光纤传感器也称传光型光纤传感器或外调制光纤传感器。 根据被外界信号调制的光波的物理特征参量的变动情况，可将光波的调制分为光强度调制、光频率调制、光波长调制、光相位调制和偏振调制等五种类型。 由于现有的任何一种光探测器都只能响应光的强度，而不能直接响应光的频率、波长、相位、和偏振调制信号都要通过某种转换技术转换成强度信号，才能为光探测器接收，实现检测。 1.3光纤传感技术的应用 1、光强调制型光纤传感器 光强调制是光纤传感技术中相对来说还是比较简单，用得最广泛的一种调制方法。其基础原理是利用外界信号（被测量）的扰动改变光纤中光（宽谱光或特定波长的光）的强度（即调制），再经过测量输出光强的变化（解调）实现对外界信号的测量。 2、光相位调制型光纤传感器 光相位调制，是指外界信号（被测量）按照一定的规律使光纤中传播的光波相位发生响应的变化，光相位的变化量即反映被测外界量。光纤传感技术中使用的光相位调制大体有三种类型。一类为功能型调制，外界信号通过光纤的力应变效应、热应变效应、 弹光效应及 热光效应使传感光纤的几何尺寸和折射率等参数发生明显的变化，因此导致光纤中的光相位变化，以实现对光相位的调制。第二类为 萨格奈克效应调制，外界信号（旋转）不改变光纤本身的参数，而是通过旋转惯性场中的环形光纤，使其中相向传播的两光束产生相应的光程差，以实现对光相位的调制。第三类为非功能型调制，即在传感光纤之外通过改变进入光纤的光波程差实现对光纤中光相位的调制。 3、光偏振调制型光纤传感器 偏振调制，是指外界信号（被测量）通过一定的方式使光纤中光波的偏振面发生规律性偏转（旋光）或产生 双折射，因此导致光的偏振特性变化，通过检验测试光偏振态的变化即可测出外界被测量。 4、光波长调制型光纤传感器 外界信号（被测量）通过选频、滤波等方式改变光纤中传输光的波长，测量波长变化即可检测到被测量，这类调制方式称为光波长调制。 目前用于光波长调制的方法主要是光学选频和滤波。传统的光波长调制方法主要有F-P干涉式滤光、里奥特偏振双折射滤光及各种位移式光谱选择等外调制技术。近20多年来，尤其近几年快速地发展起来的光纤光栅滤光技术为功能型光波长调制技术开辟了新的前景。 5、光频率调制型光纤传感器 光频率调制，是指外界信号（被测量）对光纤中传输的光波频率进行调制，频率偏移即反映被测量。目前使用较多的调制方法为多普勒法，即外界信号通过多普勒效应对接收光纤中的光波频率实施调制，是一种非功能型调制。 第二章 光纤传感技术的发展 2.1光纤传感技术发展与产业化 近年，随着光纤技术与相关 光电子元器件的发展，光纤传感技术正逐步成为继光纤通信产业高质量发展之后又一大光纤应用技术产业。光纤传感作为传感技术中一个重要分支正不断为工业、农业、交通、能源、医疗卫生、科学技术和军事技术的信息化提供愈来愈多的服务，并愈来愈为人们所认识与接受。就技术内涵而言，光纤传感技术其实就是一种被动通信技术，其技术构架包含了光纤通信所需要的所有主要组成，包括光的调制、发射、传输、组网、接收与解调等，所根本不同的是信息的调制，我们把光纤传感所采用的信息调制称为被动调制，即被传感的各种物理、化学、生物等信息量对光波的调制。由于传感技术不可能像通信技术一样在信息的组织与安排上作出预先的约定（协议），而且所传送的信息均为模拟信息，因而在信息的解调、量化乃至传输上都更复杂，对光 电子元器件的要求更苛刻，这也就是为甚么与光纤通信同步发展的光纤传感技术发展迟缓的一个重要原因。但是今天，我们已听到了光纤传感技术产业化的脚步声，它离我们愈来愈近也愈来愈响亮。 一．光纤传感技术的作用与地位 随着科学技术的发展，电子信息技术正成为带动工业现代化的排头兵，传感器作为信息获取的一个重要角色正得到愈来愈广泛的应用。光纤传感器作为传感器中一支新秀它具有灵敏度较高、体积小、易于敷设、对被检测场无破坏与干扰、抗电磁干扰能力强、可以有效的进行分布测量以及传感信息易于通过光纤传输与组网等特点正受到大家的广泛关注，并日益显示出它的特殊及其重要的作用。尤其是在一些大型工程如水利与水电工程、桥梁隧道、大型展览馆与会场、输油气管道、大型舰船、环境与公路工程等的安全和健康监测，以及地质灾害的预防中都开始大量采用了光纤应力（压力）与 温度传感器。至于光纤传感器的经典之作如光纤陀螺、光纤水听器、光纤 电流电压传感器等更是为人们所青睐，正在军事、地质勘探、电力等部门得到推广应用。在科学研究中，光纤传感器更是充分展示了它对系统无破坏干扰、便于安装、灵敏度高等特点，受到科学工作者的重视。 可以说，光纤传感技术是对已有的传感技术的发展与补充，它所具有的独特性能几乎不可代替，所产生的作用与影响愈来愈大、愈来愈广。重视光纤传感技术的发展正是对新技术发展的重视，其应用必将发挥愈来愈大的经济与社会效益。二．?光纤传感技术发展历史 光纤传感技术的发展与光纤通信几乎是同时起步，从光纤问世与激光器得到应用的那一天起，人们就提出了光纤传感的构想，并开始做研究，回顾光纤传感技术发展的历程，大概能归结为以下三个阶段：1．?技术原理论证阶段 这一阶段主要在20世纪70年代到80年代中期。此时人们在对光纤特性研究与了解的基础上提出了很多类型的光纤传感原理模型并不断从理论和实验上加以论证。可以说这一时期是光纤传感技术发展的百花齐放阶段，从最简单的利用光强调制原理进行位移与振动检测的传感器到利用各种光干涉原理的高精度传感器，研究的种类之多，发表的文章之广前所未有，各种报告与会议经常召开，这是一个研究十分活跃的时期。2．?技术稳定成熟阶段 从20世纪80年代末起，随着光纤与光电子元器件性能的提高以及光纤传感技术探讨研究的深入，光纤传感技术进入了逐渐稳定成熟阶段。这一阶段最明显的特点是一些结构相对比较简单的传感器如点式光纤温度传感器、液位计等逐步以产品的形式开始提供应用，而且具有高灵敏特点的一类光纤传感器如干涉式光纤传感器经过多年的努力其性能与稳定性也得到很大提高，并开始转入应用阶段，如最具应用前景的光纤陀螺就是这一时期的典型代表。3．?应用推广与新技术发展阶段 近十年来，一些性能高、技术成熟的光纤传感器如光纤陀螺、光纤速度、光纤电压电流等传感器陆续进入市场并在包括军事应用在内的一些领域得到应用。与此同时，随着科学技术发展与应用的迫切需求，光纤传感器组网以及一些新技术原理的光纤传感器的研究与开发成为最近一段时间光纤传感技术发展的亮点，受到格外的重视。如以布里渊散射原理发展的分布式光纤应力（压力）传感器、以拉曼散射为基础的分布式光纤温度传感器以及阵列式光纤水听器等的发展与应用都是这一时期的代表。光纤光栅的出现为光纤传感技术发展增添了新的活力。由光纤光栅阵列构成的光纤传感器在建筑、水利、石油、桥梁、地质工程等的应用中取得了显著成绩，并将取得愈来愈大的成绩。三．?光纤传感器的产业化 光纤传感技术经历这许多年的发展，其原理与技术日趋成熟，所需各种光电子元器件基本能得到保证，更可贵的是它越来越为人们所认识，潜在市场很大，需求也愈来愈广。这些都为光纤传感器的产业化铺平了道路。一些远见足识的包括国内外的能人志士，先后组建了各种专门的生产工厂与公司向社会提供了不少产品，但是相对于 其它电子信息产业来其发展的规模与势头都远远不足。特别需要指出的，就技术而言国内外差距不是太大，因此加速发展我国的光纤传感技术产业是一个大好时机。2.2几种主要光纤传感器发展现状 一．光纤陀螺 光纤陀螺分干涉型、谐振型和布里渊型，干涉型光纤陀螺是第一代，技术上已经趋于成熟，正处于推进批量生产和商品化阶段；谐振型光纤陀螺是第二代，处于实验室研究向实用化推进的发展阶段；布里渊型是第三代，尚处于理论研究阶段。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。目前分立光学元件方案已经基本消失，全光纤系统用在开环低精度、低成本的光纤陀螺中，集成光学器件陀螺以工艺简单，总体重复性好、低成本成为国际中高精度光纤陀螺主要方案。 光纤陀螺主要由光源、探测器等有源器件和光纤耦合器、相位调制器等无源器件以及光纤组成。国外从1976年开始研究，到90年代中期已经有各种精度的光纤陀螺出售，率先在航天及军事领域获得应用，目前许多产品已经应用于民用飞机和汽车工业。国内在保偏光纤、耦合器、多功能集成光学调制器（Y波导）等领域已经取得较大成果， 接近或达到国际领先水平。在光源方面还在研究，在实验室条件下超发射激光二极管能够很好的满足要求，在工程应用还存在可靠性和温度特性等问题。限于半导体技术，目前国内主要研究集中在1300nm波段。国内和国外差距主要是在产品化上，技术不成熟，没形成大规模生产能力；元器件的性能和生产能力有待提升。 可以预计，光纤陀螺将在中低精度和中高精度领域逐渐取代传统的机电陀螺，未来在航天、军事、汽车等领域具有巨大的发展的潜在能力。 二．光纤水听器 光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器，它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号转换为光信号，并通过光纤传至信号处理系统转换为声信号信息。相比传统水听器具有灵敏度较高、响应带宽宽、不受电磁干扰等特点，大范围的使用在军事和石油勘探、环境检验测试等领域，具有很大的发展的潜在能力。 光纤水听器按原理可分为干涉型，强度型，光栅型等。干涉型光纤水听器关键技术已慢慢地发展成熟，在部分领域形成产品；光纤光栅水听器则是当前研究热点。研究的关键技术涉及光源、光纤器件、探头技术、抗偏振衰落技术、抗相位衰落技术、信号处理技术、多路复用技术和工程技术等。 光纤水听器研究始于上世纪70年代末美国海军实验室，各发达国家相继投入了大量人力物力做研究，取得了很多成果。在军事应用上，随着潜艇噪声降低，电声纳探测灵敏度接近极限值，光纤水听器将大有用武之地。我国的光纤水听器研究也已取得较大进展，在一些技术指标上达到国际水平，但主要处于理论和实验阶段，实用化、工程化光纤水听器还未见报道。 三．光纤光栅传感器 光纤光栅传感器尤其是光纤Bragg光栅传感器是最近几年国内外传感器领域的研究热点。传统光纤传感器绝大部分属于光强型和干涉型，光强型传感器存在光源不稳定，光纤损耗和探测器老化等问题，干涉型传感器由于要求两路干涉光的光强相等需要固定参考点应用不便。以光纤布拉格光栅为主的光纤光栅传感器传感信号为波长调制以及复用能力强，避免了上述传统光纤传感器存在的问题。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，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、船舶航运、民用工程结构、电力工业、医药和化学传感中有广泛的应用。 光纤光栅传感器研究方向主要有：（1）对具有高灵敏度、高分辨率，且能同时感测应变和气温变化的传感器研究；（2）开发低成本、小型化、可靠且灵敏的探测技术系统研究；（3）实际应用研究，包括封装技术、温度补偿技术、传感器网络技术。目前某些类型的光纤光栅传感器已经商业化，但在性能和功能方面需要提高。但可以说，光纤光栅传感技术已向成熟阶段接近。我国对光纤光栅传感器研究相对较晚，但已经有较大发展，随着实用、廉价的波长解调技术逐步发展完善，光纤光栅传感器将有广阔的发展前途。 四．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持续不断的增加，运行电压等级慢慢的升高，不得不面临强大电流的测量问题。在高电压、大电流和强功率的电力系统中，以电磁感应为基础的传统电流传感器（简称CT）暴露出一系列严重缺点：爆炸引起灾难性事故；大故障电流引起铁芯磁饱和；铁芯共振效应；滞后效应；精度不高；易受干扰；体积大、重量大、价格昂贵等，已经难以满足新一代数字电力网的发展需要。光纤电流传感器成为解决上述难题的最好办法。 2.3光纤传感技术的未来发展的新趋势 光纤通信的迅猛发展带动新型光器件和材料的不断涌现，为光纤传感系统的开发提供了必要的基础。光纤传感技术30多年来的发展已经取得了长足的进步，大多数表现在：进入了实用化阶段；新的传感原理不断出现。但是发展现状仍然远远不能够满足实际要，还有许多待研究的课题：（1）实用化研究，尤其是性价比；（2）应用研究；（3）新型光纤传感器的研究；（4）新型敏感材料的研究，新型专用光电子器件研究。因此，光纤传感器的可能发展的新趋势有：（1）以传统传感器没有办法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象；（2）集成化光纤传感器；（3）多功能全光纤控制管理系统；（4）开辟新领域。 对于光纤传感器的价格，由于光纤传感器种类众多，具体到光纤陀螺和光纤电流互感器，大概是同级别传统传感器的2~3倍。应用的长期稳定性和可靠性不够、价格较高和对所获得数据的智能化处理不足是阻碍大规模应用的重要原因。 具体到行业应用发展上，传感技术应用到各行各业，每个企业的市场进入能力是有限的，所以现在遍地开花，传统传感器行业有成熟的产业链和利益链条，光纤传感产业化要有长期抗战的准备。光纤传感器价格昂贵与规模相关，但光纤传感背靠光通信产业，长久来看降成本没问题。光纤传感的工程化研究是热点，技术成熟度、成本、行业接受程度、是否有隐患，都需要一些时间的考验。一个产业要遵循生命周期，光纤传感还有非常长的路要走。 结束语 我们始终相信，只要我们团结一致努力，我国的光纤传感器产业一定能跻身世界前列。 参考文献 [1]. 光纤传感技术 /view/4409165.htm [4]光纤传感技术发展与产业化 /tech/sheji/443044.html [5] 几种主要光纤传感器发展现 /Item.aspx?id=35957

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