光纤传感器的综述

现代传感器论文

题目：光纤传感器综述

姓名：张艳婷

学院：物理与机电工程学院

系：机电系

专业：精密仪器与机械

年级：2013级

学号：19920131152905

指导教师：吴德会老师

2014 年2月18日

光纤传感器综述

[摘要] 光纤传感器是一种有广泛应用前景的新型传感器。本文对光纤传感器的原理、特点、分类和发展历程进行了详细综述，介绍了光纤温度传感器、光纤陀螺仪这两种典型光纤传感器的应用，指出了这类光纤传感器在应用过程中存在的问题，并提出光纤传感器今后的发展趋势, 为光纤传感器的深入研究提供了有益参考。

[关键词]：光纤传感器原理特点发展历程发展趋势

一、引言

传感器在当代科技领域及实际应用中占有十分重要的地位，各种类型的传感器早已广泛应用于各个学科领域。近年来，传感器朝着灵敏、精巧、适应性强、智能化和网络化方向发展。光纤传感技术是20世纪70年代末新兴的一项技术［1］，在全世界成了研究热门，已与光纤通信并驾齐驱。光纤传感器作为传感器家族的一名新成员，由于其优越的性能而备受青睐，其具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度高、测量带宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点，优良的性能使得光纤传感器具有广泛的应用前景。本文从光纤传感器的基本原理及特点、光纤传感器的发展历程、光纤传感器的分类及应用原理、光纤传感器的应用及存在问题以及光纤传感器的发展趋势五大方面对光纤传感器进行介绍。

二、光纤传感器的基本原理及特点

光纤( Optical Fiber) 是光导纤维的简称，光纤的主要成份为二氧化硅，由折射较高的纤芯、折射率较低的包层及保护层组成。纤芯为直径大约0.1 mm 左右的细玻璃丝，把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。光纤传感器的发现起源于探测光纤外部扰动的实践，在实践中，人们发现当光纤受到外界环境的变化时，会引起光纤内部传输光波参数的变化，而这些变化与外界因素成一定规律，由此发展出光纤传感技术。

2.1基本原理

图 1 是光纤传感器的原理结构图。光纤传感器通常由光源、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，特别如温度、压力、振动、弯曲以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时，都会使这些参量发生相应变化。光纤传感器就是利用这些参量随外界因素变化的关系来检测各相应物理量的大小[2]。

图1 光纤传感器原理结构

2.2 特点

与传统的传感器不同，光纤优良的物理化学、机械以及传输性能，使光纤传感器具有一系列独特的优点。

(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，l℃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l0℃，可见其灵敏度之高。

(2)抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全：由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，同时安全可靠，因此光纤传感器可以方便有效地用于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆的恶劣环境中。

(3)测量速度快：光的传播速度快且能传送二维信息，因此可用于高速测量。当信号的分析具有极高的检测速率要求时，应用电子学的方法往往难以实现，此时利用光衍射现象的高速频谱分析便可解决问题。

(4)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，且同一根光纤可以传输多路信号。

(5)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

它传感器无法适应的恶劣环境中。

此外，光纤传感器还具有质量轻、体积小、可绕曲、测量对象广泛、复用性好、成本低等特点。

三、光纤传感器的发展历程

1989年美国布朗大学的Mendez等人[3]首先提出了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测的可能性之后，美国，加拿大，英国，德国，日本，瑞士等国纷纷将光纤传感技术应用于桥梁等建筑物的安全监测；加拿大的Beddington Trail大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一，16个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上，对桥梁结构进行长期监测[4]；近年来以加拿大渥太华大学和瑞士联邦工学院为代表的分布式布里渊光纤传感技术(BOTDA/BOTDR)成为研究的热点[5-6],已广泛应用于石油管道市政工程电力电线等安全在线监测。

90年代初我国开始了光纤传感技术的应用研究，清华大学，同济大学，重庆大学，哈尔滨工业大学，武汉理工大学等院校已对光纤光栅传感器应用于桥梁检测进行了大量研究，并进行了一些工程应用，取得了较好的效果，而且武汉理工大学在光纤光栅解调仪的研发上取得了很大成功[7-9]，其主要技术参数达到国际同类产品的水平；2003年6月同济大学主持的卢浦大桥健康检测项目中，采用了光纤光栅传感器用于检测大桥在各种情况下的应力应变和温度变化情况，该项成果还在东海大桥结构健康监测系统设计中得到了体现[10]；南京大学主要对布里渊光时域反射(BOTDR)技术的工程应用进行了大量的研究工作[11]，并在玄武湖隧道监测项目中取得了较好的效果；中国计量学院主要研发喇曼光时域反射ROTDR技术，目前产品已经在国内多家单位应用，其主要性能指标达到国际先进水平。

四、光纤传感器的分类及应用原理

4.1 分类

光纤传感器是利用光在光纤中传播特性的变化来检测它所受到的环境变化，通过被测物理量的变化来调制波导中的光波，使光纤中的光波参量随被测物理量的变化而改变，从而求得被测信号的大小。

根据调制区与光纤的关系，可将调制分为三大类。一类为功能型调制，调制区位于光纤内，外界信号通过直接改变光纤的某些传输特征参量对光波实施调制，又称传感型光纤传感器，利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”

和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光强、相位、偏振态等光学特性的变化来实现“传”和“感”的功能。此外，传感器中光纤是连续的，由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。一类为非功能型调制，调制区在光纤之外，外界信号通过外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制，又称为传光型光纤传感器，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的“感觉”功能是依靠其它功能元件来完成的。此类传感器中的光纤是不连续的，其间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元件。调制器可能是光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。光纤在传感器中仅起传光作用。传光型光纤传感器主要利用已有的其他敏感材料，作为其敏感元件，这样可以利用现有的优质敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度。传光型光纤传感器占据了光纤传感器的绝大多数。另一类为拾光型光纤传感器，该类传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。

光纤传感器按被测对象，又可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等。

光纤传感器所用光纤有单模光纤和多模光纤。单模光纤的芯径通常为5-10μm，很细的纤芯半径接近于光源波长的长度，仅能维持一种模式的传输，一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤；光强度调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤为了获得适宜的灵敏度，可将普通光纤增敏或者去敏，为了满足特殊需求还专门研制了保偏光纤、低双折射光纤、高双折射光纤等。

光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。下面介绍这几种光纤传感器的应用原理及其基本特点。

4.2 应用原理

4.2.1光强调制型[12]

这是一种利用被测量的变化引起光纤中的光强发生变化的光纤传感器。能够引起光纤中光强发生变化的因素有: 改变光纤的微弯状态, 改变光纤对光波的吸收特性, 改变光纤包层的折射率。下面分别讨论利用以上三个因素制成的光强调制型光纤传感器的应用原理。

（1）改变光纤的微弯状态

利用微弯效应制成的光纤位移传感器的原理如图2。它是利用多模光纤在受到弯曲时, 一部分纤芯模式能量会转化为包层模式能量这一原理，可通过测包层模式能量的变化来测量位移。例如: 利用这一原理制成的光纤报警器, 其基本原理是光纤呈弯曲状织于地毯中，当有人站在地毯上时,地毯弯曲状加剧,引起光纤光强变化，产生报警信号。研制这类传感器的关键在于确定变形器的最佳结构, 最佳结构一般通过实验确定。

图2 光纤位移传感器的原理图

（2）改变光纤对光波的吸收特性

X 射线和C射线会使光纤材料的吸收损耗增加，从而使光纤输出功率减小。利用这一原理可以制成光纤辐射传感器，用于核电站大范围的监测。与此类似的还有光纤紫外光传感器。紫外光照射会使光纤激发荧光, 由荧光强弱探测紫外光强。这一类传感器的关键是要制作特殊光纤。

（3）改变光纤包层的折射率

图3是一种全内反射光纤传感器原理图。它的光纤端面的角度被磨成恰好等于临界角。从纤芯输入的光将从端面全反射, 经反射镜再沿原路返回输出。当被测参量(折射率、浓度、温度等)发生变化时, 光纤端面包层的折射率也发生变化,全反射的条件被破坏, 因而输出光强下降。由此原理可制成光纤液体浓度传感器, 光纤折射率计等。

图3 全内反射光纤传感器原理图

4.2.2相位调制型[12]

这类传感器的基本原理是利用被测参量对光学敏感元件的作用，使敏感元件的折射率、传感常数或光强发生变化,从而使光的相位随被测参量而变, 然后用干涉仪进行解调,

即可得到被测参量的信息。用以上原理制成的光纤干涉仪可测量地震波、水压、温度、加速度、电流、磁场等, 并可检测液体、气体的成分。这类光纤传感器的灵敏度很高, 传感对象广泛,但是需要特种光纤。图4是 Michelson光纤干涉仪, 它利用一个光纤定向耦合器构成双光束干涉仪, 两光纤之一为参考臂, 另一为传感臂。被测参量的变化可直接引起干涉仪中传感臂光纤的长度和折射率发生变化, 从而引起光纤中光波相位的变化。若把磁致伸缩材料或压电材料固定在传感臂上, 则可利用它们对光纤引起的压力变化来测量弱磁场或弱电场。若在传感臂上镀上金属薄膜, 则可利用电流的热效应来测量电流。

图4 Michelson光纤干涉仪

4.2.3偏振态调制型[12]

被测参量可使光纤中光波的偏振态发生变化, 检测该种变化的光纤传感器称为偏振态调制型。最典型的是测量大电流用的光纤电流传感器。基本原理是利用光纤材料的法拉第效应, 即光纤处于磁场中, 磁场使光纤中光波的偏振面旋转, 旋转角H与磁场强度H、磁场中光纤的长度L满足: H=KHL , K 为光纤材料系数。由长直载流导线在周围空间产生的磁场 H = I/2PR，R是光纤与载流导线间的垂直距离，则H=KLI/2PR 只要测出H，L，R 即可求出导线中的电流。图 5为其原理图。这种测电流的方法测量范围大、灵敏度高、与高压线无接触，使输入输出端实现了电绝缘。但是目前实际测量还存在一些问题，主要是受外界温度、压力变化等影响,光纤本身会产生双折射效应,从而引起测量误差。

图5 光纤电流传感器原理

五、光纤传感器的应用及存在问题[2]

光纤传感器广泛应用于工业生产、医疗卫生、国防工程等重要部门, 本文仅介绍光纤传感器的两种典型应用情况, 突出了光纤传感器的优点和急待解决的问题。

5.1光纤温度传感器及其应用

温度是科学技术和工业生产中的最基本、最重要的物理量，温度的测量和控制非常重要。常用的温度检测方法很多，如热敏电阻式、热电偶式等，它们都是基于温度变化引起其物理参数的变化原理实现温度的检测。若在微波能应用、电力机械设备等高温、强腐蚀、强电磁干扰等恶劣环境中实现温度检测，传统的温度检测方法不再适用,而光纤温度传感器解决了这一困难，且温度检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽，但在实际应用中，光纤温度传感器的输出信号会受到光源波动、光纤传输损耗变化、探测器老化等因素的影响。近年来，针对光纤温度传感器在应用中的不足，其补偿技术发展迅速，王勇、廖延彪等人[13-14]对光纤温度传感器补偿技术有了较深入的探讨，提出了多种补偿结构及改进措施，实验效果较好。采用补偿结构的光纤温度传感器，LD光源波长1.31Lm、功率2mW，测温石英晶体0.9mm，可保证在测温范围0～150℃内输出单值性信号，且温度响应速度高、稳定性高，实验测得系统随机误差小于 0.1℃，系统测量精度为0.1℃。突出了光纤温度传感器的优点，也暴露了光纤传感器普遍存在的缺点，如组成光纤温度传感器各部分元件的本身性能对测温精度的影响等。

5.2光纤陀螺及其应用

光纤陀螺是利用光纤传感技术测量空间惯性转动率的一种新型传感器, 光纤陀螺可分为干涉型光纤陀螺、环形谐振腔光纤陀螺、受激布里渊散射环形激光陀螺。其中，干涉型光纤陀螺工作原理都是采用直接检测干涉后的Sagnac相移来得到旋转角速度[15], 该类

光纤陀螺已经基本实用化。环形谐振腔光纤陀螺是利用 Sagnac 效应引起的谐振腔内沿相反方向传播的两谐振光束的频率差来测定旋转角速度的。该类光纤陀螺灵敏度、精度、稳定性优于干涉型光纤陀螺，但尚处于实验研究阶段。受激布里渊散射环形激光陀螺是由高输出功率和入射光在光纤中引起感应布里渊散射光的激光器构成。当光纤环中传输的光强度达到一定程度时就会产生布里渊散射，检测散射光的频率，并进行拍频处理，就可得到旋转角速度。目前尚处于基础研究阶段。与传统的机电陀螺相比，它具有体积小、精度高、启动时间短、动态范围宽、重量轻、功耗小、成本低、寿命长等优点，广泛应用于各种惯性导航系统，如人造卫星、飞机、高速列车等导航系统、战术和战略武器的制导系统等[16-17]。

光纤陀螺与传统的机电陀螺相比具有许多优点，但也存在着急待解决的问题: 高相干光源精度、温度稳定性有待于进一步提高，体积进一步缩小、高分辨率、宽动态范围和数字输出、集成化等。

六、光纤传感器的发展趋势

光纤传感技术及其相关技术的迅速发展, 满足了各类控制装置及系统对信息的获取与传输提出的更高要求, 使得各领域的自动化程度越来越高, 同时对作为系统信息获取与传输核心器件的光纤传感器也提出了更高的要求，今后光纤传感器将朝着以下方向发展。

（1）全光纤微型化：传感头由光纤构成且只使用1根光纤已成为发展趋势全光纤传感头的体积小且工作可靠由于目前光纤之间的熔接损耗为01dB左右这样的损耗不影响探头的正常工作目前光纤之间的粘接技术和光纤端面抛光镀膜等相关技术等都在研究中[18]。

（2）多参量实时化：1只传感器同时测量多个参量既减少测量装置的元件数量又可避免多只传感器之间相互影响因而多只参量实时监测成为研究的热点目前已有很多研究者在研究能进行温度应力应变同时测量的光纤光栅类传感器并取得了一定的研究成果[18]。

（3）高精度实用化：光纤传感器在研究过程中各组成元件都是线性理想化的和实际应用存在一定的差距因此光通道中的非线性研究实际检测动态范围的增大是实用化的基础[18]。

（4）阵列化网络化：易于构成分布式检测系统构成分布式检测系统可以大幅度提高检测效率节约检测成本节省时间人力物力利用无线传输与网络进行远距离监测也可为特殊环境下的实时检测提供极大方便[18]。

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