塑料光纤传感器

•塑料光纤(polymeropticalfiber,简写为POF)是由高折射率的聚合物材料为纤芯和低折射率的聚合物材料为包层所构成的光纤。•作为塑料光纤的聚合物纤芯材料主要有PMMA，PS，PC等•最成熟和广泛商业化应用（光纤传感、局域网、光纤到户、照明等）和在汽车、军事上应用的，主要是低损耗PMMA塑料光纤。光纤光缆实物图11-11-2007DashengPOF3塑料光纤与其它传输介质比较传输介质双绞线同轴电缆石英光纤塑料光纤价格高一般贵一般损耗高高最低稍高连接容易较容易难非常容易处理容易容易需要培训容易柔韧性柔韧柔韧易碎柔韧工作媒介电电红外可见光数值孔径低高带宽低低最高高电磁干扰高低没有没有单段最大距离100米185米几十公里几百米•1964年美国Dupont(杜邦)公司最早开始研究，随后日本、德国、法国、韩国等纷纷投入大量资金进行研究开发。早期的塑料光纤由于受到制作工艺和条件的限制，损耗较大，应用一直受到限制。1980年以后，低损耗的塑料光纤的基础和应用研究日趋活跃，并逐渐进入商业应用。一塑料光纤的工作原理、类型二塑料光纤的制备、特性三塑料光纤传感器主要内容一塑料光纤工作原理、类型•和石英光纤一样，塑料光纤传光也是利用光的全反射原理，光纤纤芯是光密介质，包层是光疏介质，这样，只要一个光线射入的角度合适，那么这束光线就会在光纤内部不停地进行全反射而传向另一端。塑料光纤结构图•塑料光纤的芯材和皮材必须满足以下几个条件：（1）两者都是透明的无定形聚合物，具有耐高温度和强韧性；（2）两者的折射率之差应满足n芯-n皮≥0.05的条件，以确保有一定的受光角；（3）两者具有良好的匹配性，界面黏结性良好。纤芯材料主要是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚苯乙烯（PS）。（1）低损耗塑料光纤由于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中含有大量的pH键产生高次谐波和电子跃迁损耗，固有损耗主要取决于分子振动吸收和瑞利散射，其损耗不能显著降低。用氘取代C—H中的H是降低损耗的重要途径，氘化的主要作用是降低分子振动吸收，氘代度越高，损耗水平越低。由于氘化单体的聚合速率较缓慢，聚合物的内应力小，所以氘化也能降低瑞利散射。塑料光纤的类型（2）耐热塑料光纤普通的塑料光纤耐热性不高，如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚苯乙烯（PS）芯材的长期使用温度要求在80℃以下，而无机光纤至少可在100℃以上的温度下使用。因此，提高塑料光纤的耐热性就成了塑料光纤的研究热点之一。•通常采用三种方法提高塑料光纤的耐热性：①保护层法，在塑料光纤外套塑或涂覆一层保护层，阻碍氧气在芯皮材中传输，防止芯皮材在高温下氧化，并在一定程度上阻碍塑料光纤的变形；②清洗法，芯皮材采用溶剂清洗，清除残余单体和低分子量副产物等；③选用玻璃化温度高的芯皮材。前两种方法都是辅助方法，只有第三种方法才是最有效的方法。（3）耐湿塑料光纤塑料光纤与无机光纤相比容易吸潮，而水能增强芯材聚合物C—H的振动吸收，使光纤的损耗增大。将脂肪环、苯环和长链烷基引入芯材聚合物中，能提高塑料光纤的耐湿性。另外，改善包层或增加包层数也可以改善塑料光纤的耐湿性。（4）荧光塑料光纤荧光塑料光纤是在芯材中掺入一定量的荧光剂，其入射端面输入特定波长的光，这种光为荧光剂所吸收，然后发出另一特定波长的光，由塑料光纤出射端面输出。荧光塑料光纤可制成特殊的光纤传感器，也可制作成功率放大器。（5）非线性塑料光纤采用偶极性有机材料同芯材混合，用垂直机头牵引挤出成型，并在靠近模头处设置高强直流电场，这样处于黏流态聚合物中的偶极性有机物获得电场取向，随着黏流态聚合物的冷却成型，非线性有机材料偶极取向固定，从而获得非线性塑料光纤。这种非线性塑料光纤可制作成电光及非线性光学器件，是一种新型的塑料光纤。(1)棒管法将光纤的芯材和鞘材分别制成严格匹配的棒和管，在加热和抽真空情况下将两者紧紧复合在一起拉制成丝。最常用的是界面凝胶共聚合法。二塑料光纤的制备、特性1塑料光纤的制备(2)共挤法所谓共挤法工艺是在拉制塑料光纤过程中使用两台挤出机：一台挤出芯材、另一台挤出鞘材，两台挤出机通过同一模头熔融挤出成型，再经牵引收卷即拉制成塑料光纤。塑料光纤挤出机(3)涂覆法涂覆法是将挤出的纤芯通过鞘料的溶液，将溶剂去除后，鞘层包覆于芯层而成光纤的方法。涂覆法工艺流程图(4)连续聚合纺丝法连续聚合纺丝法是目前最先进的光纤拉丝工艺，其先进性在于从单体聚合到纺丝成型全部在密封系统内进行，大大减少了外界环境污染，从而使光纤的透光率得以大幅提高，其工艺流程如图所示。连续聚合纺丝法工艺流程图(1)光学特性2塑料光纤的特性塑料光纤是一种纤维状长链分子，是用单体聚合而成，其密度均匀性较难达到，因而有较大的光学损耗。一般而言，塑料光纤的光吸收系数在0.008~0.0018/cm之间，光损耗值在200~2000dB/km之间。(2)机械性能塑料光纤的柔韧性很好，1mm粗的塑料光纤，按曲率半径为6mm作180°弯曲100多次，对塑料光纤并无损害，透过率亦无变化。有实验表明，塑料光纤曲率半径大于塑料光纤直径的3倍时，透过率仍无大的变化。(3)温度性能使用温度一般小于100℃。当温度低于-40℃时，塑料光纤将变硬、变脆。由于塑料光纤熔点低，因而玻璃光纤易老化(4)化学性能塑料光纤的化学稳定性较差，在化学药品（丙酮、醋酸乙酯或苯）的侵蚀下，易着色、变质或老化，光学性能会受到很大影响。(1)优点塑料光纤与石英光纤相比，塑料光纤在高速短距离通信网络中具有显著的竞争优势，特别在100～1000m范围内带宽可达数吉赫兹，而成本则与对应电缆相当。同时塑料光纤具有加工容易、弯曲性能好、可以制成大芯径(0．5～1mm)、大数值孔(NA)(0．3～0．5)的光纤，且可采用注塑连接器，其连接、分路简单，操作简便，价格相对便宜，形成了国际上一个新的研究开发热点。据国际市场分析，塑料光纤将以每年20％以上的速度增长，至2010年，全世界塑料光纤的销售额估计将高达数十亿美元。3塑料光纤的优缺点(2)缺点塑料光纤的缺点主要是衰减大、频带窄、耐热性差，为此各国研究人员仍在通过不懈的努力，不断改善塑料光纤这些方面的不足，特别是把降低衰减、提高带宽、提高耐热性及机械性能等作为研究的重点。•据报道，若用一种非晶聚四氟乙烯做纤芯和包层，则可使塑料光纤用于285℃的环境。由于塑料材料的杨氏模量比石英光纤小两个数量级，因此其弯曲、拉伸性能要远远优于石英光纤。另外，尽管塑料光纤的传输性能与机械性能有密切的关系，但如果塑料光纤在纵方向被拉长10％，它的衰减增大程度小于0.1dB／km。因此，塑料光纤有较好的延展性能，弯曲半径也比较小，非常适合用于楼宇LAN(LocalAreaNetwork，通常为较小区域的网络)内光纤到户的安装。三塑料光纤传感器光纤传感器是依靠光在光纤中传输时受到被测对象的影响使光的强度、波长、相位、偏振或频率等参数发生改变，通过检测接收光的各个参数来对被测量进行检测或控制的一种传感器。•具有光纤及光学测量的特点：①电绝缘性能好；②抗电磁干扰能力强；③非侵入性；④高灵敏度；⑤容易实现对被测信号的远距离监控。•塑料光纤适应狭小空间检测，它具有高柔韧性，易弯曲，可以用在需要缠绕或往复运动的场所。塑料光纤的价格比较便宜，可进行现场截段；与石英光纤相比，塑料光纤对温度的剧烈变化、化学药品及溶液的影响比较敏感。1塑料光纤传感器概述塑料光纤传感器作为一种新兴的光纤传感器，除了具有光纤传感器的普遍优点外，由于塑料光纤自身的特性，相比较石英光纤传感器，还具有以下优点：•①聚合物光纤芯径大，一般可达0.5～1.0mm；数值孔径大，NA为0.3～0.5；与光源和接收器件的耦合效率高；端面处理简易、连接简便，可以使用廉价的注塑连接器，系统成本低。•②聚合物材料的多样性，容易修饰和掺杂有机材料。（选材广泛）•③与许多聚合物材料包括生物生物材料兼容，用于活体传感安全性好。•④材料的温度和力学敏感性高，抗断裂强度高和柔韧性好，可应用于弯曲场合或粗糙环境。塑料光纤传感器包括温度传感器，压力、位移传感器，气体、液体浓度传感器，生物传感器等，其中的许多传感器在环境污染监测中有着良好的应用前景。目前国外一些大的传感器生产企业如基恩斯、邦纳、OMRON、SUNX等公司和中国台湾RIKO、WDOE公司都推出了塑料光纤传感器，使用各种塑料光纤来达到他们的目的。例如邦纳公司使用的塑料光纤是经过Teflon封装的塑料光纤，可用于高温、腐蚀性等恶劣的工业环境，如半导体晶片加工、食品加工和商业洗涤等。高温型可在环境温度为-30℃~125℃范围内使用。2塑料光纤传感器及其应用（1）辐射探测最近日本帝人化成有限公司宣布成功发明了一种塑料光纤，当这种塑料光纤暴露在放射环境下会发出蓝光，未来将带来成本更低的辐射探测器。也可用于医用装置。（2）生物医学和化学传感塑料光纤用于生物医学和化学传感有两大优越性。一是它与被测媒质有良好的相容性，二是光纤材料有广泛选择性，即容易找到适合的折射率和具有特定功能的塑料光纤材料。用于生物医学和化学传感的主要效应有：消逝场效应，吸收效应和色度效应。①利用消逝场效应构成用于测定水处理液污染程度的光纤传感器。②利用吸收效应构成探测表面活性剂溶液中的临界生物胶团浓度的传感器。③利用色度效应构成检查食道癌的传感器。（3）工程结构安全与材料断裂监测①工程结构安全监测塑料光纤传感器可用于工程结构安全监测、复合材料的结构特性（如强度和硬度）变化监测等，经济实用，多为强度调制型，也可以通过监测结构的共振频率、模式、阻抗等来获得结构的退化或损坏信息。②材料断裂分析与测试塑料光纤用于土木结构损坏和断裂监测时，其拉伸和抗碱方面优于石英光纤，有较好的动态范围和化学稳定性。③冲击损伤检测塑料光纤传感器可用于检测碳纤维增强复合材料结构中的冲击损伤。测量在不同冲击能量下，碳纤维增强环氧树脂悬臂梁的动态响应。（4）环境监测在工农业、生物和医学应用中，环境因素诸如湿度、露点、PH值、特种气体（氧气、二氧化碳、一氧化碳、煤气、甲烷等）的精确监测、控制非常重要，塑料光纤传感器在这些方面很有用途。①湿度传感器塑料光纤湿度传感器工作原理：利用材料吸收水分后光学性能的变化来测量湿度，包括光谱的变化、折射率的变化等。㈠利用光谱的变化。㈡利用折射率的变化。②露点传感器露点传感器在气象监测、农作物湿度检验、食物水分子以及水分子的评估等领域均有应用。③氧传感器塑料光纤传感器可用于连续监测氧气和溶解氧。其原理是基于材料的激发态磷光寿命和氧含量的关系，再利用光纤中的渐逝场效应，即可由光纤输出光强的变化监测氧的含量。塑料光纤的应用展望•塑料光纤作为短距离通信网络的理想传输介质，在未来的家庭智能化、办公自动化、工控网络化、车载机载通信网、军事通信网的数据传输中具有重要的地位。•通过塑料光纤，我们可实现智能家电（家用PC、HDTV、电话、数字成象设备、家庭安全设备、空调、冰箱、音响系统、厨用电器等）的联网，达到家庭自动化和远程控制管理，提高生活质量；通过塑料光纤，我们可实现办公设备的联网，如计算机联网可以实现计算机并行处理，办公设备间数据的高速传输可大大提高工作效率，实现远程办公等。•在低速局域网的数据速率小于100Mbps时，100米范围内的传输用SI型塑料光纤即可实现；150Mbps，50米范围内的传输可用小数值孔径塑料光纤实现。POF实现局域网塑料光纤的家庭应用•塑料光纤在制造工业中可得到广泛的应用。通过转换器，塑料光纤可以与RS232、RS422、100Mbps以太网、令牌网等标准协议接口相连，从而在恶劣的工业制造环境中提供稳定、可靠的通信线路。能够高速地传输工业控制信号和指令，避免因使用金属电缆线路而受电磁干扰导致通信传输中断的危险。在汽车应用领域，塑料光纤可用来制造一个特别的传感器，安装在车上，如不幸发生交通意外，可透过光纤的屈曲程度，测出车子的哪个部分撞到行人和撞击力的大小，然后启动引动器，以减轻对被撞行人的撞击力，从而降低在交通意外中人的死亡率和受伤的程度。11-11-2007Dasheng