光纤传感技术

ModernSensorTechniqueandApplications光纤传感器技术摘要：本文介绍了光纤传感器的国内外现状以及与传统传感器相比独有的优势，阐明了传感型光纤传感器和传光型光纤传感器的工作原理，讲述了新型光纤传感器的发展状况，主要包括光纤光栅、干涉型传感器和光子晶体光纤传感器，列举了光纤传感器在石油化工、电力、医学、土木工程、军事领域、环境监控和飞机飞行控制系统中的应用，详细描述了光纤传感器在医学领域的应用，并阐明了光纤传感器在未来的发展趋势。关键词：传感型、传光型、新型光纤传感器、医学应用Abstract:ThispaperintroducesthepresentsituationoffiberopticsensorsAthomeandabroadanditsuniqueadvantagescomparedwithconventionalsensors.Theoperationofthesensingopticalfibersensorandtransmission-typeopticalfibersensorisexplained.Thedevelopmentofnewfiberopticsensorsisdescribed,includinggrating,interferometricsensors,andphotoniccrystalfiberopticsensors.Theapplicationoffiberopticsensorsarelistedinthepetrochemical,electricity,medicine,civilandmilitaryfields,environmentalmonitoringandaircraftflightcontrolsystem.Adetaileddescriptionoftheopticalfibersensorinthemedicalfieldapplicationisshown.Thedevelopmenttrendofopticalfibersensorinthefutureisillustrated.Keywords:sensortype,lighttransmissiontype,thenewfiber-opticsensors,medicalapplications目录一、引言................................................................1二、光纤传感器的基本原理................................................22.1传感型光纤传感器原理............................................32.2传光型光纤传感器原理............................................4三、新型光纤传感器的发展概况............................................53.1光纤光栅........................................................53.2干涉型传感器....................................................63.3光子晶体光纤传感器..............................................8四、光纤传感器的应用....................................................94.1在石油化工系统中的应用..........................................94.2在电力系统中的应用.............................................104.3在医学方面的应用...............................................104.4在土木工程中的应用.............................................144.5在军事领域中的应用.............................................144.6在环境监控中的应用.............................................144.7在飞机飞行控制系统中的应用.....................................15五、光纤传感器的发展趋势...............................................15六、参考文献...........................................................15一、引言光纤传感器的历史可追溯到上世纪70年代中期，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，这就是光纤传感器。光纤传感器技术始于1977年，是伴随着光纤技术和光通信技术迅猛发展起来的一种新型传感技术。近年来，光纤传感在机械、电子仪器仪表、航天航空、石油、化工、食品安全等领域的生产过程自动控制、在线检测、故障诊断等方面，得到了卓有成效的发展和推广。2011年到2015年之间，全球光纤传感器市场消费规模以年平均20.5%成长，2011年规模为13亿4000万美元，预计到2016年，将扩大为33亿9000万美元。同时，这5年间，中国成为亚太地区最主要的光纤传感产品应用市场。2011年交通及石化行业的光纤火灾报警产品市场规模在2亿元水平，电力设备光纤传感温度检测及应用规模达到2亿元水平，光纤传感环境监测、光纤陀螺产品市场达到2亿元水平，光纤周界市场在0.5亿元水平。美国光纤传感器研究起步早，光纤传感技术在世界上最为先进。经过30多年的发展，中国光纤传感市场产业化格局基本形成，从最初单一的技术产品推广逐步向成熟的整体解决方案迈进，从产品种类、工艺质量及工程实施服务等多方面得以逐步完善，行业标准及规范逐渐形成。主要研究领域包括：新型敏感材料研究；分布式光纤传感系统开发；新型专用光电子器件开发；适合于易燃易爆、强磁场干扰、高辐射、高温高压场所的光纤传感器开发；大型结构工程长期安全监测与健康诊断的光纤传感器及其传感系统开发；光纤光栅传感器产业技术研究；光纤智能材料与结构及其应用研究；光纤陀螺的工程应用研究；微光机电系统；准分子激光微加工技术研究；特种光纤传感器件及其他类型光纤传感器的开发。光纤传感器与传统的传感器相比主要差别在于：传统的传感器是以应变-电量为基础，以电信号为转换及传输的载体，用导线传输电信号，因而使用时受到环境的限制，如环境湿度太大可能引起短路，特别是在高温和易燃、易爆环境中容易引起事故等；而光纤传感器是以光信号为变换和传输的载体，利用光纤传输信号，它具有许多独特的优点：(1)不受电磁干扰，当光信号在光纤中传输时，它不会与电磁场产生作用，因而，信息在传输过程中抗电磁干扰能力强，使其特别适合于电力系统；(2)绝缘性能高，现在普遍使用的光纤是由石英玻璃制成的，是一种不导电的非金属材料，其外层的涂覆材料硅胶也不导电，很方便测量带高压电设备的各种参数；(3)防爆性能好，耐腐蚀。由于光纤内部传输的是能量很小的光信息，不会产生火花、高温、漏电等不安全因素，因此，光纤传感器的安全性能好，适用于有强腐蚀性对象的参数测量；(4)导光性能好，对传输距离较短的光纤传感器来说，其传输损耗可忽略不计，目前利用这一特性制成了锅炉火焰监测器监视火焰的状态；(5)可绕，光纤细而柔软，可制成非常小巧的光纤传感器，用于测量特殊对象及场合的参数；(6)光纤传感器的载体是光，其频率数量级为1014Hz，从而使传感器频带范围很宽，动态范围很大；(7)便于复用，便于成网，有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络；(8)光纤材料简单，便于获得，所以成本低。光纤传感器的优越性使其在军事、国防、航天航空、工矿企业、能量环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。目前。世界上已有光纤传感器上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。而今，光纤传感器正处于发展阶段，人们正在探索新的方法和新的结构。二、光纤传感器的基本原理光纤传感器的基本原理是光源通过光发送器发出后，以光纤为传输载体传送给敏感元件，在这一过程中，被测量对光的某一性质进行调制，被调制后的光接收光纤然后耦合到光接收器，最终光信号被转变为电信号，电信号再经过信号处理系统处理后变成所需要的被测量。光发送器、光接收器、敏感元件、光导纤维及信号处理系统是构成光纤传感器的几个重要组成部分。有些光纤传感器中，光无源器件也作为光线传感器的重要组成部分。光无源器件按照功能上归类可以分为光衰减器件、光功率分配器件、光连接器件、光隔离器件、光开关器件等。光无源器件在工作过程中不需要任何外部元器件的帮助，依靠自身的性能就可以独立完成某种光学功能。光纤传感技术分为传光型光纤传感技术和传感型光纤传感技术，光纤传感技术的核心是光纤传感器，相应的光纤传感器也分为传感型光纤传感器和传光型光纤传感器。2.1传感型光纤传感器原理传感型光纤传感器也称功能型光纤传感器,光纤既传光又传感而且还充当敏感元件。对于传感型光纤传感器而言,当光在光纤中传播时,被测对象或外界因素作用在光纤上,会使光纤中传输光的振幅、相位、波长和偏振态等发生改变,此过程为光波的调制,把调制后的光波经光纤传输到光电探测器解调后转换成电信号输出。传感型光纤传感器的原理比传光型光纤传感器的原理复杂。传感型光纤传感器中应用最多的是相位调制型光纤传感器或干涉型光纤传感器,其原理是外界因素使得光纤中传输光波的相位发生变化进而改变出射光(干涉光)的强度,以此达到测量目的。φ=2π/λ0∙nl，(1)式中,λ0为光在真空中的波长,n为光纤纤芯的折射率,l为光在光纤中传播的距离。一般通过外界因素可改变n和l,进而可改变相位φ,而相位φ和出射光光强I密切相关,从而改变出射光光强。常用的干涉型光纤传感器有Michelsion干涉式光纤传感器、Mach-Zehnder干涉式光纤传感器、Fabry-Perot(F-P)干涉式光纤传感器、Sagnac干涉式光纤传感器和Fizeau干涉式光纤传感器等。干涉型光纤传感器是光纤传感与测量技术高精度测量中的最佳选择。2.2传光型光纤传感器原理传光型光纤传感器也称非功能型光纤传感器或强度调制型光纤传感器,光纤主要起传输光波的作用,在光纤中间或端部加敏感元件,其主要由光源、光纤、光调制器、敏感元件、光电探测器和检测电路等组成。传光型光纤传感器主要是强度调制型光纤传感器,其基本原理是待测物理量引起光纤中传输光的光强I变化,通过检测光强I的变化来实现对待测物理量的测量。强度调制的特点是简单、可靠、经济。强度调制方式很多,主要有反射式强度调制和透射式强度调制。2.2.1反射式强度调制型光纤传感器图2.1是反射式强度调制原理示意图。图2.1反射式强度调制原理图设输入光纤输出的光强为I0,则输出光纤接收的光强I为I(d)=𝑅0𝐼0[1+𝜉(𝑑/𝑟)3/2𝑡𝑔𝜃𝑐]2exp⁡{−𝑅2𝑟2[1+𝜉(𝑑/𝑟)3/2𝑡𝑔𝜃𝑐]2}(2)式中,r为输入光纤纤芯半径,d是移动反射器的反射面到输入(输出)光纤端面的距离,𝜃𝑐是输入光纤的最大出射角,𝑅0为移动反射器的反射率,⁡𝜉为光源种类及光源与光纤耦合情况有关的调制参数。移动反射器改变d,就可以改变输出光纤接收光强I的大小。2.2.2透射式强度调制型光纤传感器图2.2是透射式强度调制原理