一、光纖傳感器簡介
光纖*早的出現(xiàn)的目的是用于傳輸光,在20世紀(jì)70年代初生產(chǎn)出低損耗光纖后,光纖用于長距離傳遞信息,是光纖通信的基石,也可以豪不夸張的說光纖也是現(xiàn)代信息社會(huì)的基石。由于光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質(zhì),而且光波在光纖中傳播的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長等)會(huì)因外界因素(如溫度、壓力、應(yīng)變、振動(dòng)、聲音、磁場、折射率、扭曲、等)的作用而間接或直接地發(fā)生變化,分析這些變化就可以得到外界作用的某些性質(zhì),從而可將光纖用作傳感器元件來探測各種物理量、化學(xué)量和生物量,這就是光纖傳感器的基本原理。
光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)由光源、傳輸光纖和光檢測部分組成。考慮到光纖傳輸已經(jīng)很簡單,通常一套完整的光纖傳感器主要由傳感器和解調(diào)儀構(gòu)成。光源發(fā)出的光耦合進(jìn)光纖,經(jīng)光纖進(jìn)入調(diào)制區(qū);在調(diào)制區(qū)內(nèi)外界被測參數(shù)作用于進(jìn)入調(diào)制區(qū)內(nèi)的光信號(hào),使其光學(xué)性質(zhì)如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化成為被調(diào)制的信號(hào)光:再經(jīng)過光纖送入光檢測器,光檢測器對(duì)進(jìn)來的光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,輸出電信號(hào);*后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理而得到可用信號(hào),從而獲得被測參數(shù)。
傳感技術(shù)是當(dāng)今世界發(fā)展*為迅速的高新技術(shù)之一。新型傳感器不僅追求高精度、大量程、高可靠、低功耗和微型化,并且向著集成化、多功能、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展,以滿足工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科研等各個(gè)領(lǐng)域的需求。光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代隨著光纖技術(shù)和光通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的。它代表了新一代傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢。光纖傳感器的產(chǎn)業(yè)已被國內(nèi)外公認(rèn)為*具有發(fā)展前途的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一,它以技術(shù)含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、滲透能力強(qiáng)、市場前景廣等特點(diǎn)為世人所矚目。

二、光纖傳感器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
自從1966年華裔科學(xué)家高錕首先提出了用玻璃纖維傳輸光信息,奠定了光纖通訊和光纖傳感技術(shù)的理論基礎(chǔ),1970年美國康寧公司的D.B.Keck,A.R.Yynes等人率先制造了低損耗(20dB/Km)石英光纖,光纖制造工藝已經(jīng)得到了長足的發(fā)展,并在光通訊等領(lǐng)域逐漸得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)人們逐漸意識(shí)到利用光纖的許多特性可以進(jìn)行物理量的測量:70年代中期光纖傳感器一經(jīng)出現(xiàn),就受到各國有關(guān)研究部門的高度重視。
(1)國內(nèi)光纖傳感器發(fā)展現(xiàn)狀
我國在70年代末就開始了光纖傳感器的研究,其起步時(shí)間與國際相差不遠(yuǎn)。目前已有上百個(gè)單位在這一領(lǐng)域開展工作,其中的大學(xué)包括清華大學(xué)、北京航天航空大學(xué),哈爾濱工程大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)、大連理工大學(xué)、北京交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京理工大學(xué)、南開大學(xué)、天津大學(xué)、武漢理工大學(xué)、重慶大學(xué)、電子科技大學(xué)、上海大學(xué)、上海交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)、南京大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、暨南大學(xué)、深圳大學(xué)、國防科技大學(xué)、中國計(jì)量大學(xué)等,研究所包括:電子工業(yè)部下的38所,航天11所、中科院半導(dǎo)體所、上海微系統(tǒng)所、航空304所等。目前從事光纖傳感器產(chǎn)業(yè)化的公司估計(jì)有上一百家了。他們在光纖溫度傳感器、壓力計(jì)、流量計(jì)、液位計(jì)、電流計(jì)、位移計(jì)等領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究,取得了上百項(xiàng)科研成果,其中相當(dāng)數(shù)量的研究成果具有很高的實(shí)用價(jià)值,有的達(dá)到世界先進(jìn)水平。每年發(fā)表的論文、申請的**也不少。但與發(fā)達(dá)國家相比,我國的差距主要表現(xiàn)在產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性方面,大多數(shù)品種仍處于實(shí)驗(yàn)室研制階段,不能投入批量生產(chǎn)和工程化應(yīng)用。
(2)國外光纖傳感器發(fā)展現(xiàn)狀
由于光纖傳感器應(yīng)用的廣泛性及其廣闊的市場,其研究和開發(fā)在世界范圍內(nèi)引起了高度的重視,各發(fā)達(dá)國家更是競相研究開發(fā)并引起激烈的競爭。美國是研究光纖傳感器起步*早、水平*高的國家,在**和民用領(lǐng)域的應(yīng)用方面,其進(jìn)展都十分迅速。在**應(yīng)用方面,他們研究和開發(fā)主要包括:水下探測的光纖傳感器,用于航空監(jiān)測的光纖傳感器,光纖陀螺,用于核輻射檢測的光纖傳感器等。這些研究都分別由美國空軍、**、陸軍和國家宇航局(NASA)的有關(guān)部門負(fù)責(zé),并得到許多大公司的資助。
美國也是*早將光纖傳感器用于民用領(lǐng)域的國家。如運(yùn)用光纖傳感器監(jiān)測電力系統(tǒng)的電流、電壓、溫度等重要參數(shù),監(jiān)測橋梁和重要建筑物的應(yīng)力變化,檢測肉類和食品的**和病毒等。美國的很多大學(xué)、研究單位和公司都開展了光纖傳感器的研究和開發(fā),如斯坦福大學(xué)、弗吉尼亞理工大學(xué)、Babock&Wilcox公司、Accufiber公司、Fidberdy-Elamies公司、EOTcc公司、Optical技術(shù)公司等。據(jù)統(tǒng)計(jì),1993年以后,美國光纖傳感器的銷售總額每年以30-40%的增長速度發(fā)展,到2000年達(dá)到100億美元。近期的調(diào)查結(jié)果表明,美國光纖傳感器的研究開發(fā)重點(diǎn)已經(jīng)向民用領(lǐng)域轉(zhuǎn)移,民用光纖傳感器的產(chǎn)量已**超過**傳感器。
日本和西歐各國也高度重視并投入大量經(jīng)費(fèi)開展光纖傳感器的研究與開發(fā)。日本在80年代便制定了“光控系統(tǒng)應(yīng)用計(jì)劃”,該計(jì)劃旨在將光纖傳感器用于大型工廠,以解決強(qiáng)電磁干擾和易燃易爆等惡劣環(huán)境中的信息測量、傳輸和生產(chǎn)過程的控制。90年代,由東芝、日本電氣等15家公司和研究機(jī)構(gòu),研究開發(fā)出12種具有**水平的民用光纖傳感器,其中*有代表性的是波長掃描型光纖溫度傳感器。它是光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),可把分散在工廠各場所的信息進(jìn)行時(shí)序化處理,并以全光方式收集。這種網(wǎng)絡(luò)裝置可連接1000個(gè)以上的傳感器。由于該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不使用電氣器件,**防爆,特別適合于煉油廠、化工廠的各種過程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)際上是集光纖材料、光纖傳感器件、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)于一體,其產(chǎn)品在國際市場上具有廣闊發(fā)展前景。西歐各國的大型企業(yè)和公司也積極參與了光纖傳感器的研究與開發(fā)和市場競爭,其中包括英國的標(biāo)準(zhǔn)電訊公司、法國的湯姆遜公司和德國的西門子公司等。
三、光纖傳感器的分類
光纖傳感器按其工作原理可以分為兩類:一類是非功能型(或稱傳光型)光纖傳感器,另一類是功能型(或稱傳感型)光纖傳感器。非功能型光纖傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化,光纖僅作為傳播光的介質(zhì),傳輸來自遠(yuǎn)處或者難以接近場所的光信號(hào)。功能型傳感型光纖傳感器則是利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特殊光纖)作為傳感元件,自身實(shí)現(xiàn)傳感功能的傳感器。這類傳感器中,光纖不僅起傳遞光的作用,而且還利用光纖在外界因素的作用下,其光學(xué)特性的變化來實(shí)現(xiàn)傳感的功能。根據(jù)被調(diào)制的光波參數(shù)不同,這兩類光纖傳感器都可再分為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器、相位調(diào)制光纖傳感器、頻率調(diào)制光纖傳感器、偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器和波長調(diào)制光纖傳感器。
(1)偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器
基本原理是利用光的偏振態(tài)的變化來傳遞被測對(duì)象信息。光波是一種橫波,它的光矢量是與傳播方向垂直的。如果光波的光矢量方向始終不變,只是它的大小隨相位改變,這樣的光稱為是線偏振光。光矢量與光的傳播方向組成的平面為線偏振光的振動(dòng)面。如果光矢量的大小保持不變,而它的方向繞傳播方向均勻的轉(zhuǎn)動(dòng),光矢量末端的軌跡是一個(gè)圓,這樣的光稱為圓偏振光。如果光矢量的大小和方向都在有規(guī)律的變化,且光矢量的末端沿一個(gè)橢圓轉(zhuǎn)動(dòng),這樣的光稱為橢圓偏振光。利用光波的偏振性質(zhì),可以制成偏振調(diào)制光纖傳感器。在許多光纖系統(tǒng)中,尤其是包含單模光纖的那些系統(tǒng),偏振起著重要的作用。許多物理效應(yīng)都會(huì)影響或改變光的偏振狀態(tài),有些效應(yīng)可引起雙折射現(xiàn)象。所謂雙折射現(xiàn)象就是對(duì)于光學(xué)性質(zhì)隨方向而異的一些晶體,一束入射光常分解為兩束折射光的現(xiàn)象。光通過雙折射媒質(zhì)的相位延遲是輸入光偏振狀態(tài)的函數(shù)。偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器檢測靈敏度高,可避免光源強(qiáng)度變化的影響,而且相對(duì)相位調(diào)制光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡單、且調(diào)整方便。其主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋豪梅ɡ谛?yīng)的電流、磁場傳感器;利用泡爾效應(yīng)的電場、電壓傳感器;利用光彈效應(yīng)的壓力、振動(dòng)或聲傳感器;利用雙折射性的溫度、壓力、振動(dòng)傳感器。目前*主要的還是用于監(jiān)測強(qiáng)電流。
(2)波長調(diào)制型光纖傳感器
傳統(tǒng)的波長調(diào)制型光纖傳感器是利用傳感探頭的光譜特性隨外界物理量變化的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的。此類傳感器多為非功能型傳感器。在波長調(diào)制的光纖探頭中,光纖只是簡單的作為導(dǎo)光用,即把入射光送往測量區(qū),而將返回的調(diào)制光送往分析器。光纖波長探測技術(shù)的關(guān)鍵是光源和頻譜分析器的良好性能,這對(duì)于傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性和分辨率起著決定性的影響。光光纖波長調(diào)制技術(shù)主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域。例如,對(duì)人體血?dú)獾姆治?、PH值檢測、指示劑溶液濃度的化學(xué)分析、磷光和熒光現(xiàn)象分析、黑體輻射分析和法布里一珀羅濾光器等。
(3)頻率調(diào)制型光纖傳感器
基本原理是利用運(yùn)動(dòng)物體反射或散射光的多普勒頻移效應(yīng)來檢測其運(yùn)動(dòng)速度,即光頻率與光接收器和光源間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)它們相對(duì)靜止時(shí),接收到光的振蕩頻率;當(dāng)它們之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),接收到的光頻率與其振蕩頻率發(fā)生頻移,頻移大小與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度大小和方向有關(guān)。因此,這種傳感器多用于測量物體運(yùn)動(dòng)速度。頻率調(diào)制還有一些其他方法,如某些材料的吸收和熒光現(xiàn)象隨外界參量也發(fā)生頻率變化,以及量子相互作用產(chǎn)生的布里淵和拉曼散射也是一種頻率調(diào)制現(xiàn)象。其主要應(yīng)用是測量流體流動(dòng),其它還有利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時(shí)的拉曼散射構(gòu)成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器;利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。
(4)強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器
基本原理是待測物理量引起光纖中傳輸光光強(qiáng)的變化,通過檢測光強(qiáng)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)待測量的測量。一恒定光源發(fā)出的一定強(qiáng)度的激光注入傳感頭,在傳感頭內(nèi),光在被測信號(hào)的作用下其強(qiáng)度發(fā)生了變化,即受到了外場的調(diào)制,使得輸出光強(qiáng)的包絡(luò)線與被測信號(hào)的形狀一樣,光電探測器測出的輸出電流也作同樣的調(diào)制,信號(hào)處理電路再檢測出調(diào)制信號(hào),就得到了被測信號(hào)。這類傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、容易實(shí)現(xiàn),因此開發(fā)應(yīng)用的比較早,現(xiàn)在已經(jīng)成功的應(yīng)用在位移、壓力、表面粗糙度、加速度、間隙、力、液位、振動(dòng)、輻射等的測量。強(qiáng)度調(diào)制的方式很多,大致可分為反射式強(qiáng)度調(diào)制、透射式強(qiáng)度調(diào)制、光模式強(qiáng)度調(diào)制以及折射率和吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制等等。一般反射式強(qiáng)度調(diào)制、透射式強(qiáng)度調(diào)制、折射率強(qiáng)度調(diào)制稱為外調(diào)制式,光模式稱為內(nèi)調(diào)制式。但是由于原理的限制,它易受光源波動(dòng)和連接器損耗變化等的影響,因此這種傳感器只能用于干擾源較小的場合。
(5)相位調(diào)制型光纖傳感器
基本原理是:在被測能量場的作用下,光纖內(nèi)的光波的相位發(fā)生變化,再用干涉測量技術(shù)將相位的變化轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)的變化,從而檢測到待測的物理量。相位調(diào)制型光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)是具有極高的靈敏度,動(dòng)態(tài)測量范圍大,同時(shí)響應(yīng)速度也快,其缺點(diǎn)是對(duì)光源要求比較高同時(shí)對(duì)檢測系統(tǒng)的精密度要求也比較高,因此成本相應(yīng)較高。目前主要的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋豪霉鈴椥?yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器;利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器;利用電致伸縮的電場、電壓傳感器;利用賽格納克效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器(光纖陀螺)等。
而目前所稱的波長調(diào)制型光纖傳感器主要是指光纖布拉格光柵傳感器(FBG)??梢院敛豢鋸埖恼f,正是有了光纖光柵傳感器,光纖傳感器才真正開始從實(shí)驗(yàn)室鄒向大規(guī)模的工程應(yīng)用。

圖2 光纖光柵傳感器
四、光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)
無論采用何種調(diào)制方法,光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):
(1)傳輸損耗小,傳輸容量大:可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控監(jiān)測和多點(diǎn)分布式測量。
(2)測量范圍廣;可測量溫度、壓強(qiáng)、應(yīng)變、應(yīng)力、流量、流速、電流、電壓、
(3)傳感器端無需供電,是無源器件,將傳輸與傳感集合到一體。
(4)傳感器能夠復(fù)用,甚至實(shí)現(xiàn)分布式測量,一臺(tái)測量儀器可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的傳感器測量。
(5)抗電磁干擾:一般電磁輻射的頻率比光波低許多,所以在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)不受電磁干擾的影響。
(6)電絕緣性能好,**可靠:光纖本身是由電介質(zhì)構(gòu)成的,適宜于在易燃易爆的油、氣、化工生產(chǎn)中使用。
(7)測量精度可以很高。有些光纖傳感器(如干涉型)可以達(dá)到非常高的測量精度和分辨率。
(8)體積小、重量輕,幾何形狀可塑。
(9)耐腐蝕,化學(xué)性能穩(wěn)定:由于制作光纖的材料——石英具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性,因此光纖傳感器適宜于在較惡劣環(huán)境中使用。
液位、液體濃度成分等,可以說光纖傳感器能測量幾乎所有物理量和很多化學(xué)量。
五、光纖傳感器的實(shí)用化進(jìn)程
目前,世界上光纖傳感器領(lǐng)域的發(fā)展分為兩大方向,原理性研究與應(yīng)用開發(fā)。隨著光纖技術(shù)的日趨成熟,對(duì)傳感器的實(shí)用化開發(fā)成為整個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)和關(guān)鍵。光纖傳感器的應(yīng)用范圍很廣,幾乎涉及國民經(jīng)濟(jì)的所有重要領(lǐng)域和人們的日常生活,尤其可以**有效地在惡劣環(huán)境中使用,解決了許多行業(yè)多年來一直存在的技術(shù)難題,具有很大的市場需求。其應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)在電力系統(tǒng),需要測定溫度、電流等參數(shù),如對(duì)高壓變壓器和大型電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)的溫度檢測等,由于電類傳感器易受強(qiáng)電磁場的干擾,無法在這些場合中使用,只能用光纖傳感器。
(2)在醫(yī)學(xué)及生物方面應(yīng)用傳感器。醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用光纖輻射劑量計(jì)、呼吸系統(tǒng)氣流傳感系統(tǒng):圓錐形微型FOS測量氧氣濃度及其他生物參數(shù);用FOS探測氫氧化物及其他化學(xué)污染物;生物適應(yīng)FOS系統(tǒng)應(yīng)用于海水監(jiān)測、生化技術(shù)、醫(yī)藥。
(3)在石油化工系統(tǒng)、礦井、大型電廠等,需要檢測氧氣、碳?xì)浠衔?、CO等氣體,采用電類傳感器不但達(dá)不到要求的精度,更嚴(yán)重的是會(huì)引起**事故。因此,研究和開發(fā)高性能的光纖氣敏傳感器,可以**有效地實(shí)現(xiàn)上述檢測。
(4)在城市建設(shè)中的橋梁、高速公路以及大壩水庫等民用基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)檢測中,光纖檢測技術(shù)得到應(yīng)用,同時(shí)光纖檢測技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。在混凝土中埋入光纖傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)**監(jiān)測:在飛機(jī)場用干涉型光纖震動(dòng)傳感器系統(tǒng)監(jiān)測交通。
(5)在環(huán)境監(jiān)測、食品**檢測等方面,由于其環(huán)境復(fù)雜,影響因素多,使用其它傳感器達(dá)不到所需要的精度,并且易受外界因素的干擾,采用光纖傳感器可以具有很強(qiáng)的抗干擾能力和較高的精度,可實(shí)現(xiàn)對(duì)上述各領(lǐng)域的生物量的快速、方便、準(zhǔn)確地檢測。目前,我國水源的污染情況嚴(yán)重,食品**檢測手段比較落后,光纖傳感器在這些領(lǐng)域具有極好的市場前景。
隨著光纖傳感技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛。
ZONHO,YX-M1R,YX-M1R-P,YX-M1G,光纖傳感器
YX-M,YX-M-P,光纖傳感器
無錫市昌林自動(dòng)化科技有限公司是一家集研發(fā)、制造、銷售為一體液壓氣動(dòng)生產(chǎn)企業(yè),主要生產(chǎn)氣源處理體,控制元件、執(zhí)行元件、液壓元件、氣動(dòng)元件,儀器儀表,工控電氣,自動(dòng)化電氣。
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