光纤传感器的应用与展望

光纤传感器的应用与展望近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。在农业、军事、航空领域有着很大的应用。1.光纤传感器的种类光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传感器;另一类是非功能型（传光型）传感器。按光在光纤中被调制的原理不同，光纤传感器可分为：强度调制型、相位调制型、偏振态调制型、频率调制型、波长调制型等。迄令为止，光纤传感器能够测定的物理量已达七十多种。1.1功能型（传感型）传感器功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,被测量对光纤内传输的光进行调制,使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化,再通过对被调制过的信号进行解调,从而得出被测信号。光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。1.2非功能型（传光型）传感器非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术；比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。2.光纤传感器的原理光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。其基本原理是将光源的光经入射光纤送人调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。3.光纤传感器的特点（1）灵敏度较高。（2）几何形状具有多方面的适应性，可以制成各种形状的光纤传感器。（3）可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件。（4）可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境。（5）而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。4.光纤传感器的应用正是因为光纤传感器比传统的传感器有许多优越的功能，使得其应用领域非常广泛。4.1光纤传感器在农业上的应用4.1.1光纤传感器在培育良种方面的应用种子是农业生产的第一环节，监测育种环境对培育优良品种具有举足轻重的作用。采用光纤温度传感器、光纤湿度传感器能够实时获取育种环境中的温湿度情况，再辅以自动控制调温调湿系统就能使育种环境达到最佳状态，从而培育优质良种。4.1.2光纤传感器在农田水利系统中的应用较大的农田水利设施如高架水渠等可以采用光纤光栅裂缝传感器等监测水渠的健康情况。另外埋人地下的管道可以通过光纤流量传感器来监测水流的通畅状况。4.1.3光纤传感器在农业种植方面的应用大棚种植基地对种植环境的良好控制是获得较高效益的前提条件。光纤温度传感器可以帮助控制温度，而光纤湿度传感器则可以帮助调控湿度；另外光纤二氧化碳传感器则可以有效地监测二氧化碳的浓度，以保证农作物能进行最佳光合作用。4.1.4光纤传感器在农产品储藏方面的应用农产品在储藏过程中需要大量传感器。以粮仓为例，可利用光纤温度传感器及光纤湿度传感器来获取粮仓的环境信息来指导通风翻晒等作业。对水果、蔬菜等的储藏需要相应的光纤气体传感器来测量乙烯、氧、二氧化碳、氨、氟利昂等气体的浓度。农业生产中的自动化对于提高农业生产率，提高单位面积农作物的产量以及农产品的储藏都具有明显的积极意义。光纤传感器具有的高灵敏度、强抗干扰性、耐腐蚀以及施工方便等优良性能使其在农业的应用具有广阔的前景。4．2光纤传感器在医学上的应用在医学中的应用医用光纤传感器目前主要是传光型的。以其小巧、绝缘、不受射频和微波干扰、测量精度高及与生物体亲合性好等优点备受重视。本文将主要介绍传光光纤在压力测量、血流速度测量、pH值测量三个方面的应用。此外，它还可以应用于测量温度和医用图像传输上面。4.2.1压力测量目前临床上应用的压力传感器主要用来测量血管内的血压、颅内压、心内压、膀胱和尿道压力等。传感器感知变化通过光纤传到另一端的光电探测器变成电信号，这样通过电压的变化便可知探针处的压力大小。4.2.2PH值测量用来测定活体组织和血液值pH光纤光谱传感器示意图，如图5所示。其工作原理是利用发射光、透射光的强度随波长的分布光谱来进行测量。这种传感器将两根光纤插入可透过离子的纤维素膜盒中．膜盒内装有试剂，当把针头插入组织或血管后，体液渗入试剂，导致试剂吸收某种波长的光．用光谱分析仪测出此种变化，即可求得血液或组织的pH值[13]。4.3光纤传感器在军事上的应用在面向21世纪的今天，美国国防部已把“光子学、光电子学”和“点对点通信”列为2010年十大国防技术中的两项。其中光纤技术占据着举足轻重的地位。这预示着美国等西方国家对光纤技术军事应用的研究将全面展开并加速进行。而各项先期应用及演示、验证表明。21世纪的军事通信和武器装备离开了光纤技术将无“现代化”或“先进”可言，在未来战争中将处于被动挨打的局面。4.3.1光纤技术在雷达和微波系统的应用由于光纤传输损耗低、频带宽等固有的优点，光纤在雷达系统的应用首先用于连接雷达天线和雷达控制中心，从而可使两者的距离从原来用同轴电缆时的300m以内扩大到2～5km。用光纤作传输媒体，其频带可覆盖X波段（8～12.4GHz）或Ku波段（12.4～18GHZ）。4.3.2光纤系绳武器光纤遥控战车（TOV）是用一根光缆系留到基地站拖车上的高机动性多用途轮式车辆，可将各种侦察装置、传感器及武器送到危险战区，执行诸如侦察、探雷、排雷、清除障碍和弹药补给等任务，车速可达3.5km／h，操作距离达15～30km。4.3.3光纤制导鱼雷与光纤制导导弹一样，光纤制导鱼雷能大大改善鱼雷的攻击性能。美国海军海洋系统中心试验的光纤制导鱼雷，制导距离5km，速度18节（33km／h），进一步的试验将达70节（130km/h），射程则将扩大到100km。其关键是光缆及其放线技术和先进的光纤水听器，法国也进行了成功的光纤制导鱼雷的试验，制导距离达到了20km。4.3.4舰载高速光纤网由于现代化的舰艇装备有大量的通信、雷达、导航、传感器系统和武器指挥系统等电子设备，加上其它电气设备，因此造成了严重的电磁干扰、射频干扰等问题，为此，弹道导弹潜艇中装备光纤数据总线，将传感器与火控系统接入分布式计算机网，从而大大提高潜艇的数据处理能力及抗干扰能力。5.结语随着我国经济的发展，农业工业的生产离不开传感器的应用。而我国国际地位的提高，促使我国在军事航空领域占领优先地位的目标不可动摇，传感器的市场需求和发展空间具有巨大潜力。由于我国目前光纤传感器的产业化和应用方面还远不能满足国民经济发展的需求，因此加快和促进光纤传感器的商品化、产业化进程，无疑是今后发展的主要方向。光纤传感器有着突出的优点，但也存在急待解决的问题，例如光纤传输损耗、探测器老化、元件本身性能对精度的影响等等。今后发展的趋势是进一步改进敏感元件的制作工艺及结构、探索新的敏感机理，充分发挥微处理技术和计算机软件的功能，改善补偿光纤传感器的性能，向数字化、集成化、自动化、工程化改进。