光纤传感器的应用及发展

光纤传感器的应用及发展作者：李晓云学号：1050730029专业：10应用物理学摘要：本文简要介绍了光纤传感器的特点，综述了光纤传感器的发展以及近期国际上光纤传感器的研究和应用情况，最后描述了其前景和发展趋势。关键字：光纤传感器，光纤，参量的变化，信号检测，测量，光纤陀螺仪，发展前景引言光纤传感器的历史可追溯到上世纪70年代。那时，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。1977年,美国海军研究所开始执行由查尔斯・M・戴维斯博士主持的Foss(光纤传感器系统)计划，这被认为是光纤传感器问世的日子。从这以后,光纤传感器在世界的许多实验室里出现。由于其具有常规传感器所无法比拟的优点和广阔的发展前景，很多国家不遗余力地加大对光纤传感器的研究力度，涌现出许多成果。但它仍存在诸如价格昂贵、技术不够成熟等瓶颈，这使得它在工程上的应用较少。随着新方法、新工艺不断被引入，大量低价位高性能光纤传感器问世，而光纤与其他学科理论相结合不仅使光纤传感器在信号检测精度、传输减损、信号处理方面有了很大的提高，而且其应用领域也越加广阔。本文简要地介绍了光纤传感器的特点，并对光纤传感器近期的发展动态进行简要地概述。1.光纤传感器的特点光纤传感器由光源、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成。众所周知，描述光波特征的参量很多(如光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等)，这些参量在光纤传输中都可能会受外界影响而发生改变。如当温度、压力、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、弯曲、应变以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时，均会使这些参量发生相应变化，光纤传感器就是根据这些参量随外界因素的变化关系来检测各相应物理量的大小。图1是光纤传感器的结构框图：与传统的传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、耐腐蚀、频带宽、动态范围大及测量对象广泛等特点，而且在一定条件下可任意弯曲，可根据实际需要做成各种形状。其结构简单、体积小、质量轻、耗能小等等，正由于它的这些优点，其应用领域非常广阔，市场前景也比较广。2.国内外光纤传感器的发展情况美国是最早研制光纤传感器并投资最大的国家，并且取得了很大的成就。从1977开始由美国海军研究所主持的光纤传感器系统共有5个公司参加，主要研究方向是水声器、磁强计和其它水下检测有关设备。1980年开始研究，1984年进行飞行实验的现代数字光纤控制系统（ADOSS），采用光纤译码的光纤传感器系统代替直升飞机驾驶员的控制，最终将实现用光纤液压传动系统代替电源。另外，光纤陀螺（FOG）计划、核辐射监控（NRM）计划、飞机发动机监控（AEM）计划、民用研究计划（CRP）使光纤传感器技术迅猛发展，在军事、民用、电力、监控、桥梁、医学生物检测等方面得到广泛应用。3.光纤传感器的应用光纤传感器的应用非常广泛，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活。在现代信息社会中，传感器技术迅猛发展，其中光纤传感器以其独特的优点应用非常广泛，包括工业、军事、医疗、通讯、过程控制以及恶劣环境下物理量的测量，如光纤传感器在石油领域中的应用、在军事领域的应用、在医学中的应用、在土木工程中的应用、在环境监控中的应用、在飞机上的应用、在电力系统上的应用等等。“中国2010年远景规划”已将传感器列为重点发展的产业之一，随着我国加入世界贸易组织，传感器的市场需求和发展空间的潜力是非常大的。（1）光纤传感器在石油领域中的应用众所周知，在石油领域中需要测量的量很多，其中主要有地表输油管道的流量测量以及地下油井流量的测量，流量是确定石油产业和传输特性极重要的参数。可石油工业中被测量体成分和物质化学性质复杂，流动状态多种多样，再加上工作现场条件十分恶劣，很难进行测量。光纤流量传感器以其独特的优点，比其它流量传感器有明显优势，在石油工业中发挥极其重要的作用。（2）光纤传感器在军事领域的应用①光纤声纳阵。声纳是现代反潜战中的主要探测手段，利用光纤声纳阵可探测水下敌方的潜艇。目前，光纤声纳阵已处于现场实验阶段，不久将来将成为现代反潜战的重要探测、定位手段。②光纤陀螺仪。光纤陀螺仪可应用在各种制导武器中，它在测量导弹的姿态、实现制导、控制和目标跟踪中占有极其重要地位，它对提高制导武器的制导精度起着极为重要的作用，甚至可以说起着关键性和决定性作用。在上个世纪末，光纤陀螺仪已投入部队使用。（3）光纤传感器在医学中的应用医用传感器是医学测量仪器的第一环节，是医学仪器与人体直接耦合关键的器件。可以说它在从定向医学走向定量医学发展过程中起到了重要作用，特别是光纤传感器在观察体内器官、传递形态学检查图像中起到重要作用。目前，医用光纤传感器的研究与应用正受到广泛重视，种类也日趋繁多，功能和质量也不断完善，从而越来越显示出光纤传感技术在医学应用的广泛前景。（4）光纤传感器在土木工程中的应用土木工程结构的设计寿命较长，但是受负载的作用、疲劳效应以及材料老化和腐蚀等不利因素的影响，整体结构会产生损伤积累和抗力衰减，致使其实际使用寿命缩短，甚至可能造成塌方等灾难事件。于是,人们希望土木结构有一定的感知失事或示警的智能功能，能“感知”内部状态变化并做出必要的预警或进行自我修复。光纤传感器集信息传输和传感于一体，易与网络连接，再加上耐高温，抗腐蚀，是充当土木工程结构的“神经元”的理想元件。其应用特点是在土木工程结构中(或在其表面)埋入(或粘贴)光纤传感器，通过分析光的传输特性，如光强、相位和波长等，就可获得光纤周围材料的应力、压强、电磁场、密度、温度等量的变化，从而实现对土木工程结构的在线动态监测与控制。光纤传感器在土木工程中的应用主要体现在：①监控结构的应用与变形；②对结构开裂进行检测；③对大体积混凝土测温；④组成传感器网络，遥控监测结构性能；⑤结构安全预示报警。我国已将光纤传感材料用于三峡大坝和部分桥梁的健康检测和安全评定等，美国、日本、加拿大、英国等国家的大学、研究机构也投入了大量精力研究光纤传感器。（5）光纤传感器在化学和生物学中的应用当前，在国外研究得比较多的化学和生物光纤传感器主要有光吸收型传感器，荧光型传感器和衰减波形光纤传感器三种。光吸收型传感器的工作原理是根据测定被测物对特定波长的光产生吸收以及吸收的强度来确定被测物的种类和浓度大小。在海洋中，海水里所含的叶绿素和藻胆蛋白、黄色物质、石油污染物、微量重金属都有自己的特征吸收光谱，所以它们都能用这种光纤传感器进行测量。而且其结构简单、小型、而且牢固，能够直接在海洋现场进行测量，测量精度高。荧光型化学和生物传感器是通过测量物质的特征荧光光谱来鉴别被测物质的种类和浓度。对荧光的检测有两种方式：测量荧光淬灭或荧光增强；测量荧光寿命或测量荧光能量转换。衰减波形化学和生物光纤传感器的测量机理是根据光纤的导播原理研制而成。具体做法是把处于测量场的光纤的一小段光纤外层包皮去掉，在这段裸露的光纤上涂抹一层折射率小于纤芯折射率的物质作为敏感层。在测量被测物时，敏感层对测量物产生吸附，结果导致光纤的波导结构发生变化，利用被测物与波导结构变化的相关性达到检测的目的。这种传感器目前可用来测量石油污染物和水的pH值等。4.光纤传感器的研究近况和发展趋势光纤传感器不断在各个领域得到应用的同时，光纤传感器自身也在不断完善和产品翻新。人们根据光纤的不同特点开发出各种类型的产品，如：以波长调制为特点的光纤光栅传感器；利用光学原理测量电流的光纤电流传感器；对各种气体的成分、浓度等参数进行检测和控制的光纤气敏传感器；集传统传感器和光纤传感器优点于一身的混合型光纤传感器；为扩展光纤传感器在高电压系统的在线监测中的应用范围，实现“无源”化而推出的微功耗太阳能光纤传感器；能通过降低温度干扰而获得高压力响应的液晶光纤传感器等等。光纤传感器作为一种优势明显的新型传感器不但在高、精、尖领域得到应用，而且在传统的工业领域被迅速推广，其本身产品也不断推层出新，显示出强大的生命力。可以预见随着制作技术的日益成熟和器件性能的不断提高，不久的将来光纤传感器必将在海洋、化工、水利电力等各个领域显示其应用活力。