光纤传感器的发展与现状

光纤传感器的发展与现状制作人：吴限谢笑声管胜班级：光电09303班老师：张森Content1.光纤传感器国内发展现状我国从上世纪70年代末就开始研制光纤传感表1光纤传感器测定物体参数的原理被测物理量光调制光学现象分类电流偏振光法拉第效应光学传感器方式、光纤功能型传感器方式磁场相位干涉现象(磁致伸缩)光纤功能型传感器方式电压偏振光Pockels(次电光效应)光学传感器方式电场相位干涉效应(电的)光纤功能型传感器方式屏蔽板遮断光路光学传感器方式光强半导体的透明度变化光学传感器方式温度荧光辐射拾波探头方式光谱热体辐射拾波探头方式偏振光复合折射率变化光学传感器方式角速度相位周期效应光纤功能型传感器方式速度多普勒效应拾波探头方式流速频率微带损耗光纤功能型传感器方式光强屏蔽板遮断光路光学传感器方式振动光阑反射强度变化光学传感器方式加速度偏振光光弹性效应光学传感器方式压力相位干涉现象(光弹性效应)光纤功能型传感器方式频率多普勒效应拾波探头方式·2·光纤光缆传输技术2007年器，起步时间与国际相差不太远。目前，国内已有上百个单位在这一领域开展研究工作，如清华大学、中国计量大学、华中理工大学、武汉理工大学、重庆大学、中电科技集团公司的部分专业化研究所、核工业总公司九院、航天四院、中科院新疆物理所及声学所等，它们在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计和应变仪等领域进行了大量的研究，取得了很多成果。其中，有相当一部分成果具有很高的使用价值，有的已达到当今国际先进水平。光纤传感器的军事应用主要集中在以下三个方面。第一，基于光纤陀螺对飞行器、水下兵器、陆用战车和火箭等的惯性制导及对运动载体的姿态控制；第二，基于微振动传感器和光纤信息传输网，用于海洋防卫和反潜作战的光纤水听器传感阵列网；第三，基于温度、压力、应变和振动传感器的智能结构，广泛用于水下兵器及航空、航天等领域。2．1光纤陀螺光纤陀螺属于激光陀螺中的一种，它是将200～1000m长的光纤绕制成直径为10～60cm的圆形光纤环，增长了激光束的检测光路，使其灵敏度、精度和分辨率比激光陀螺提高了几个数量级。它的主要优点是：无运动部件，仪器牢固稳定，耐冲击和抗加速度运动；易于采用集成光路技术，结构简单，零部件少，价格低廉；原理上可瞬间启动，启动时间极短；克服了激光陀螺闭锁带来的问题，可与环形激光陀螺一起成为捷联惯性系统的传感器。可直接数字输出，与计算机直接接口联网；检测灵敏度高，可以达到10rad／s的分辨率；约为20007s的极宽的动态范围；寿命长，信号稳定可靠。由于光纤陀螺具有上述优点，因此受到很多国家的重视，近几年对其进行了大量的研究和试验。航天803研究所也对光纤陀螺技术进行了研究并研制出相关产品。北航光电技术研究所于2001年完成了国内首次光纤陀螺的飞行试验，随后连续取得实验成功，产品定型后开始进行小批量生产。永鼎集团自主研制出一种实用型光纤陀螺仪，该产品可广泛应用于各种飞行器、卫星等制导控制系统，在民用领域可用于工业机器人、车辆组合导航等方面。重庆航天测量通信技术有限公司目前也在进行光纤陀螺的研制工作。3.光纤水听器光纤水听器是利用光纤的传感特性以及它与周围环境相互作用产生的种种调制效应，在海洋中侦听声场信号的仪器。与压电水听器相比，它具有高出3个数量级的高灵敏度、足够大的动态范围、固有的抗电磁干扰能力、无阻抗匹配要求、系统“湿端”质量轻和结构任意性等优势，足以应付来自潜艇静噪技术不断提高的挑战，适应反潜战的要求，被视为国防技术重点开发项目之一。于涉型光纤水听器是目前国内研究最多、技术较为成熟的光纤水听器。现代光纤水听器一般都是指这种类型的光纤水听器。其最大优点是灵敏度极高，抗电磁干扰，容易实现全光纤化，适合组成拖曳阵列。中国科学院声场声信息国家重点实验室的张仁和院士是我国光纤水听器阵列研究的领军人。上海交通大学的张美林等完成了干涉型阵列光纤水听器的研制任务。中电科技集团公司第23研究所承担的光纤水听器项目经过专家评审会评审，产品的灵敏度、指向性和频率响应等指标已达到设计要求。4.智能结构智能结构是近几年在国际上兴起的多学科交叉发展的新兴科学技术。所谓智能结构，除具有承受载荷的能力外，还具有识别、分析、处理及控制等多种功能，从而使结构本身按智能的方式进行自诊断、自适应和自学习，并在其受到损伤时具有自修复、自增值和自衰减的能力。在国防领域，智能结构适应了航空航天技术的需求，不仅可增强结构的功能，优化结构形式，减轻重量，提高生存力，更重要的是它能促进飞行器制造和维护等观念的更新。传感器是关系到结构功能好坏的关键器件之一，而光纤传感器以其显著的优点被认为是智能结构中最受青睐的传感器。目前，国内对监测系统、火控系统和发动机系统内部传感器的研究已经进入实用化阶段。下文将对智能结构中几种具有代表性的传感器进行详细叙述。5.分布式光纤测量传感器分布式光纤测量系统是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度和应力分布的传感系统。光纤既是传输媒质也是传感媒质，利用光纤后向拉曼散射的温度效应可以对光纤所在的温度进行实时测量；利用光时域反射技术可以对测量点进行精确定位。分布式的结构使得该系统能够实现实时、快速和多点进行测量。由于系统体积小，且无需配备温度传感器和电缆设备，因而测量过程不会影响原始温度场的分布。光纤的柔韧性好，更适合在复杂的环境中进行测量。该系统可以在很短的时间内完成长距离的温度维普资讯期几类实用化光纤传感器的发展现状分析·29·场分布测量，具有防燃、防爆、抗腐蚀和抗电磁干扰的特点，因而光纤测量系统具有良好的应用前景。后向拉曼散射分布式温度传感器是目前广泛应用的光纤传感器之一。中国计量大学在张在宣的带领下于1991年开始研制分布式光纤温度监测系统，取得了很好的成绩。该产品曾出口到韩国，性能与当时的国际水平相当。清华大学光纤传感中心研制开发的光纤油罐液位与温度测量系统已经安装运行多年。江汉石油学院的杨三青研究了稠油井井下用光纤式压力一温度复合传感器。西安石油学院的乔学光等人报道了用光纤布拉格光栅和长周期光栅相结合的传感器系统对油气井下应力和温度实现同时在线检测，应力和温度的测量误差分别为±10％和±1．5℃。北京航空航天大学的史晓锋等人研究了井下分布式光纤测量系统及其在石油测井中的应用，空间分辨率为1m，测温范围为0～370℃，测温精度为±2℃。中电科技集团公司第八研究所对该类型传感器也进行过研制，取得了很好的效果。2．3．2光纤光栅传感器光纤光栅是利用光纤中的光敏性(也称为光致折射率变化效应)制成的。光纤光栅的写入方法有很多种，主要有纵向驻波写入法、逐点写入法、横向干涉法和相位掩模法，近年来后两种使用较多。光纤光栅传感器，尤其是光纤Bragg光栅传感器，已成为近几年国内外在光纤传感器领域的研究热点。光纤光栅实质上是一种波长选择反射器，其反射信号的波长会受到施于其上的温度和应变的影响而发生变化。这种反射波长的变化称之为波长位移。利用光纤光栅的温度和应变两种效应，即采用光纤光栅作敏感元件，可以检测许多物理量。图1光纤光栅传感器的应用框图如图1所示，光纤光栅在传感技术中的应用范围十分广泛，尤其在利用光纤应变敏感性间接测量物理量方面有很大的发展潜力。光纤光栅传感器自发明之日起就经过了原理性研究和试验论证的百家争鸣阶段。目前成熟的光纤光栅制作工艺可实现小批量生产，研究的焦点也转向解决高精度应用、完善解调和复用技术以及降低成本等几个方面。南开大学光电子课题组承担了国家自然科学基金快速反应项目“井下石油温度、压力多点光纤光栅传感系统”的研制，研究光纤传感器在井下温度、压力监测方面的应用，完成了传感器的设计与实验，以及地面解调系统和光源部分的研制。重庆大学在黄尚廉院士的带领下在光纤法一珀应变传感器实验室的研究工作开展得较早，近年来主要集中研究法一珀应变传感器在桥梁、大坝等民用基础设施健康监测领域的应用，先后开展了混凝土固化期间的收缩变形研究、混凝土弹性模量的标定等实验室研究工作，然后在宜昌长江二桥路面铺装材料环道实验和重庆渝黔高速公路红槽房大桥上进行了光纤传感器的初步应用。在此基础上，2002年又在重庆渝黔高速公路的大佛寺长江大桥上安装了光纤法一珀应变传感器系统，实现对关键断面的应力一应变长期在线监测。2．3．3光纤叶片振动传感器发动机叶间径向间隙对发动机的性能有很大的影响。叶间间隙过大会导致发动机效率下降，甚至会引起发动机喘振；叶间间隙过小会因叶片与机匣间的摩擦导致发动机损坏。光纤叶片振动传感器广泛应用于航空发动机研制过程中，国外已有光纤振动传感器作为检测设备应用于发动机上的先例。它能够实时、准确地测量航空发动机叶片的实际振动频率和振幅，为设计人员进行叶片动力学性能设计，为飞机、舰船涡轮机旋转叶片振动所引起的故障安全监测与故障诊断提供重要的信息。典型的光纤叶片振动传感器利用光强度调制的原理对航空发动机的叶片进行应变、频率和振幅等参数的在线检测。中电科技集团公司第八研究所研制开发出应用于在线检测发动机叶片参数的光纤传感器。该传感器适合在复杂的环境中进行涡轮发动机叶片参数的测量，具有防燃、防爆、抗腐蚀和抗电磁干扰的特点。该传感器具有良好的耐高温特性，可以在恶劣的环境中工作，完成振动参数的测量。它不仅能够实时、动态地测量发动机的振动参数，而且能够根维普资讯·3O·光纤光缆传输技术2007丘据测量参数对发动机进行实时控制，保证发动机的安全。中电科技集团公司第八研究所研制开发的光纤叶片振动传感器已经形成系列化，包括单点式航空发动机光纤振动传感器、线阵式航空发动机光纤振动传感器、面阵式航空发动机光纤振动传感器和耐环境航空发动机光纤振动传感器等。这些发动机用光纤叶片振动传感器由光纤传感探头、传输光纤、信号处理电路、反馈控制电路和显示单元等组成。该系列传感器已经应用于国产发动机的研制中，取得了很好的试验效果。其中在某发动机的试验中，根据该传感器的检测结果对数据进行回放分析研究，发现了发动机叶片产生裂纹的原因。国防科技大学对光纤振动传感器进行了原理上的详细研究，并对影响光强度调制系数的各种参数进行了仿真试验研究。光纤陀螺、光纤水听器和智能结构中的光纤传感器是光纤传感研发水平的代表产品，我国这几类光纤传感器的研发技术水平同国外发达国家相比要落后1O～15年。其中，目前只有中、低等精度的光纤陀螺开始小批量生产，光纤水听器尚在研制中，分布式光纤温度传感器也处于国外9O年代中期的水平。总体来说，国内的相关光纤传感器研制单位只有互相合作、相辅相成，才能够使国内的光纤传感器产品实现产业化，使我国的光纤传感器技术水平跟上国际发展的趋势。表2列出国内部分光纤传感器生产厂家的资料。表2国内部分光纤传感器生产厂家资料传感器种类生产厂家备注光纤光栅武汉理工光科股份温度传感器有限公司240台／天的生产能力分布式光纤杭州计量大学最远测距点：10km温度传感器中电科技集团公司8所已经型谱化光纤陀螺北京航空航天大学动态范围：±300。／s光纤振动传感器中电科技集团公司8所耐高温900℃3光纤传感器国外发展现状国外的光纤传感器产品技术先进，具有很多特点，如精度高、测量范围宽，可靠性高、稳定性好，品种多、更新换代快，小型化、系列化和标准化，产品的集成化、多功能化和智能化程度高等。光纤传感器的军事应用一直受到各国军方的高度重视，光纤陀螺和光纤水听器已被纳入西方国家的重点军事研究项目。美国把光纤传感器列为军备改造计划的15个重点项目之一，并制定了纤维光学传感器的专门规划。日本也制定了研制开发规划。以解决强磁场干扰和易燃、易爆等恶劣环境中的信息检测、传输和过程控制。英国由Sira研究所负责，成立了光纤传感器协作委员会，交流有关信息，帮助这一技术尽快进入市场。3．1光纤陀螺1980～1990年的十年间，各国对系统误差因子和光纤器件的研究取得了显著的进展。新型SLD光源、保偏光纤及耦合器的采用以及特殊的绕制技术为光纤陀螺的实用化铺平了道路。上世纪9O年代，中级I-F