光纤传感技术的发展与展望

光纤传感技术现状与发展前景摘要阐述了光纤传感技术的基本原理及其特点，分析了近年来世界范围内光纤传感器技术的应用和发展，简单介绍几种光纤传感前沿技术并对光纤传感技术进行展望。列举了几项光纤传感的应用领域及发展状况，并最后进行了小结。关键词光纤传感光纤理论光纤光栅技术发展趋势1引言光纤传感器技术是伴随着光导纤维及光纤通讯技术发展而出现的一种崭新的传感技术，不同于传统的传感技术，它的灵敏度，抗干扰性以及高适用性正成为目前科技发展所追逐的新趋势。光纤传感是利用光纤对外界环境因素十分敏感，例如温度、压力、电场、磁场等环境条件的变化都将引起光波参量，如强度、相位、频率、偏振态等的变化。通过相关的研究，就可以加以利用；同时光纤本身具有许多优点，如长距离传输损耗低、易弯曲、体积小、重量轻、成本低、防水、防火、高抗电磁干扰等，因此在航空、航天、航海、核工业、电力医疗、石化、矿山、冶金等行业有着广泛的应用[1]。2光纤传感器的基本原理1966年7月，英籍华裔学者高锟博士（K.C.Kao）在PIEE杂志上发表论文《光频率的介质纤维表面波导》，从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性，光纤原理如图1所示，这一突破性的论述拉开了光纤通信的序幕，而光纤通信传感技术也在光纤发展的基础上快速发展。光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器及解调器组成。其基本原理是将光源的光经人射光纤送入调制区，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、偏振态等）发生化学变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送人光探测器、解调器而获得被测参数。光纤传感器按传感原理可分为两类[2]，如图2所示，一类是传光型（或称非功能型）传感器，另一类是传感型（或称功能型）传感器。在传光型纤传感器中,光纤仅作为光的传输媒质，对被测信号的感觉是靠其它敏感元件来完成的，这种传感器中出射光纤和入射光纤是不连续的，两者之间的调制器是光谱变化的敏感元件或其它性质的敏感元件。在传感型光纤传感器中光纤兼有对被测信号的传输作用，将信号的“感”和“传”合而为一，因此这类传感器中光纤是连续的[1]。图1光纤原理图2光纤传感器基本形式3光纤传感器的特点3.1灵敏度高由于光是一种波长极短的电磁波，通过光的相位便得到其光学长度。以光纤干涉仪为例，由于所使用的光纤直径很小，受到微小的机械外力的作用或温度变化时其光学长度要发生变化，从而引起较大的相位变化。假设用10米的光纤，1℃的变化引起1000ard的相位变化，若能够检测出的最小相位变化为0.01ard，那么所能测出的最小温度变化为10-6℃，可见其灵敏度之高。3.2测量速度快光的传播速度最快且能传送二维信息，因此可用于高速测量。对雷达等信号的分析要求具有极高的检测速率，应用电子学的方法难以实现，利用光的衍射现象的高速频谱分析便可解决。3.3信息容量大被测信号以光波为载体，而光的频率极高，所容纳的频带很宽，同一根光纤可以传输多路信号。3.4适用于恶劣环境光纤是一种电介质，耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰，可用于其它传感器所不适应的恶劣环境中。另外，利用光纤的柔韧性可将光纤传感器做成各种形状的传感器及传感器阵列，用于多参数测量[3]。4光纤传感技术的发展20世纪90年代光纤传感器最重要的发展是光纤光栅传感器的发展。它的制作基础是：用紫外光刻把折射光栅写入涂硅单模光纤，或者更直接更有效的是在光纤退火过程中用短激光脉冲的干涉图纹把折射光栅写入涂硅单模光纤中。对纤芯中传播的光，本征布拉格光纤光栅能够反射以布拉格波长为中心的一段很窄的波段。布拉格波长是由光栅周期光栅折射率决定的，而这些因素与温度和压力有关。因此它对机械应力，温度有很高的灵敏度。近几年，人们研究出各种对不同因素敏感的材料，再把这些因素的影响转换成温度和压力的影响，使其用于布拉格光栅传感器中。除了在通信系统中光纤传感器的各种应用，波长编码和多路布拉格光纤传感器阵列及复杂网络也应用于测量光纤沿路的压力、振动、温度等变化。低损耗、耗电少的优点使得布拉格传感器拥有各方面实用化的潜能。城市建设能源工业、航天、运输等大型技术器件的综合监测、安全控制都用到布拉格光纤传感器及其网络。目前光纤传感器技术发展的主要方向是：（1）多用途。即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量，要能对多种物理量进行同时测量；（2）提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度、降低其成本。设计复杂的传感器网络工程注意分布式传感器的参数，即压力、温度、特别是化学参数（碳氢化合物、湿度、pH值等）对光纤的影响；（3）新型传感材料、传感技术等的开发；（4）在恶劣条件下（高温、高压、化学腐蚀）低成本传感器（支架、连接、安装）的开发和应用；（4）光纤连接器及与其它微技术（微机械、微流态学、喷镀薄膜等）结合的微光学技术[4]。5几种主要的光纤传感器早在1978年就有光纤光栅传感器报道。但大量研究是在1989年才开始[5]。光纤光栅应用于加删滤波器，放大器增益整平滤波器，差量补偿，光栅激光器等光通信设备。目前正在更深入地研究光纤布拉格光栅传感器（FBGs）已有一部分实用化。下面介绍几种光纤光栅的类型。在位相匹配的条件下，FBG将向前传播的主要模式与后向传播的主要模式耦合。长周期光纤光栅（LPG）将前向传播的主要模式与一个或几个后向传播的次要模式相耦合。光纤光栅能够反射较宽的波段，不同的波长对应光栅上不同的位置，从而导致不同的延迟时间。光纤倾斜光栅把前向传播的主要模式与后向传播的主要模式和一个次要模式相耦合。调制光栅能够同时反射不同的波长。所有这些光栅都被用在各种类型的FOS上，其中FBGs应用最多。第一份关于光纤陀螺仪（FOG）的报道出现在1976年[6]。现在也有很多关于这方面的研究。它的基本原理很简单，即Sagnac干涉仪。相对而言，它是一个很成功的应用例子。在旋转的光纤圈中，有两束反向传播的光，由于经过的路程不同，传播的时间也不同，导致了不同的位相。因此，像典型的干涉仪一样FOG的输出是余弦函数。FOG的相移检测存在一些实际问题。例如，它是工作在常规的零光程差状态，它的灵敏度随着角速度趋于零而趋于零。因此，要在低角速率下获得高灵敏度，必须使A/CD/E干涉仪工作在最大灵敏度处，即在相位正交点工作。这可以通过在两束反向传播的光之间引入一个单向相移偏置来实现正交点工作状态。FOG有两种结构：开路和闭路。动态相位调制器安置在纤芯的一端，使得两束光在耦合处同时开始传播，在纤芯中反向传播不同的路程后到达位相调制器测出其位相差[7]。FOG在不断的发展，技术也越来越成熟，并且能满足很多陀螺仪精确度的要求。FOG已经能够与机械陀螺仪、环形激光陀螺仪相竞争。由于光纤通信技术的发展FOG的成本在逐渐降低。目前，FOG被认为是最合算的定位系统测量仪器。它最大的优点是耐用，它不像机械陀螺仪、环形激光陀螺仪有可动部件。基于这些优点，FOG将在军事应用和商业化方面起重要作用。随着电力工业的发展，继电保护系统就变得非常重要。它必须能及时发现任何突发的故障，因此它需要电流传感器。目前很多电流传感器都是电子仪器，很容易受到电磁干扰。随着用电需求的增加，电流传感器（CTs）的绝缘问题越来越难，造价也越来越高。因此，光纤电流传感器由于其抗电磁干扰，绝缘性好等优点成了传统电流传感器很好的代替品。光纤电流传感器的原理是Faraday旋光效应。即在光通过磁性材料过程中，光的偏振态会发生改变。光纤电流传感器不是单单的光学电流传感器。燧石玻璃闭路型、晶体CTs正在深入研究中。在光纤CTs中，线偏振光波入射到纤芯中把它们分解成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。再通过处在电磁场中的纤芯时发生双折射，因此在通过纤芯后，两个圆偏振光就产生了位相差，线偏振的方向发生了变化，与附加电流、光纤数量成正比。虽然原理很简单，但在实际操作中有很多问题限制了传感器的分辨率。由于纤芯形状的非理想性，光纤中存在一些线性双折射造成了输出信号的误差。在光纤退火过程中可以相对降低线性双折射[8]，但实际是很难做到的。另外振动、机械应力、温度变化对线性双折射的影响也很大。为解决这些问题，人们想了很多方法，如螺旋光纤，它可以产生圆双折射，降低线性双折射的影响；高双折射光纤，它是在拉光纤的过程中，从旋转的粗硅中拉制出来的。现在很多圆双折射光纤CTs已实用化。6．光纤传感器的应用光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面：（1）城市建设中桥梁大坝油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用在混凝土中嵌人光纤传感器或加强性光纤凝结物；在飞机场用干涉型光纤震动传感器系统监测交通。（2）在电力系统需要测定温度电流等参数,如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等,由于电类传感器易受强电磁场的干扰,无法在这些场合中使用，只能用光纤传感器。（3）在石油化工系统矿井大型电厂等，需要检测氧气、碳氢化合物CO等气体，采用电类传感器，不但达不到要求的精度，更严重的是会引起安全事故。因此，研究和开发高性能的光纤气敏传感器，可以安全有效地实现上述检测。（4）在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面，由于其环境复杂，影响因素多，使用其它传感器达不到所需要的精度，并且易受外界因素的干扰，采用光纤传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精度，可实现对上述各领域的生物量的快速、方便、准确地检测。目前，我国水源的污染情况严重，临床检验、食品安全检测手段比较落后，光纤传感器在这些领域具有极好的市场前景。（5）医学及生物传感器。医学临床应用光纤辐射剂量计、呼吸系统气流传感系统；圆锥形微型FOS测量氧气浓度及其他生物参数；用FOS探测氢氧化物及其他化学污染物；光纤表面细胞质粒基因组共振生物传感器；生物适应FOS系统应用于海水监测、生化技术、医药[9]。7小结在这个科技迅速发展的时代，光纤传感技术作为高科技的一支也在向前迈进。随着新材料、新器件的研发和制作工艺的不断进步，在未来的将来，光纤传感产品的研发潜力巨大。而且，增加国家硬实力和提高国防能力，光纤传感系统更是重中之重。光纤传感器可能发展趋势有：以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象；集成化光纤传感器；多功能全光纤控制系统；开辟新领域。光纤传感技术的研发满足国民需求和经济发展导向，具有重大的战略意义。参考文献：1陈峰华,孟继轲.光纤传感器及其应用研究[J],光学制造,2005,6(26),99~106.2安毓英,等.光学传感与测量[M].北京:电子工业出版社,2001.165-210.3唐宇,刘传菊.光纤传感器及其研究现状[J],科技资讯,2009,7,17~18.4何慧灵,赵春梅,陈丹,赵晓峰,阮昊.光纤传感器现状[J]激光与光电子学进展,2004,3(3),39~42.5BrackettCA.OntheefficiencyofcouplinglightfromStripe-geometryGaAslasersintomultimodeopticalfibers.[J],Appl.Phys,1974,45(6)：2636~2637.6TaneshiOzeki,KawasakiBS.Efficiencyofcouplingusingtaper-endedmultimodeopticalfiber.[J],Electron.Let.1976,12(23)：607~608.7FanTsoYee.Efficiencycouplingofmultiplediodelaserarraystoanopticalfiberbygeometricmultiplexing.Appl.Opt.[J].1991,30(6):630.8马惠萍,刘丽华,杨乐民等.光纤耦合问题的研究及球形端面光纤的应用[J].光电工程.2004,29(4),46~49。9李文植.光纤传感器的发展及其应用综述[