光纤传感技术

光纤传感器的应用与发展趋势

学生：王超

学号：1049721103105

专业：物理电子学

光在传输过程中，光纤易受到外界环境的影响，如温度、压力等，从而导致传输光的强度、相位、频率、偏振态等光波量发生变化，通过监测这些量的变化可以获得相应的物理量，这就是光纤传感技术。该技术是随着光纤及通信技术的发展而逐步发展起来的一门崭新技术。密集波分复用D W D M 技术、掺铒光纤放大器EDFA 技术和光时分复用OTDR 技术的不断发展成熟，使得光纤传感技术以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独一无二的优势，获得了飞速的发展，各种光纤传感器系统层出不穷。

光纤传感器系统的原理

由于光纤不仅作为光波的传播介质，而且光波在光纤中传播时，光波的特征参量( 振幅、相位、偏振、波长等) 会因外界因素（温度、压力、应变、电场、位移等）间接或直接的发生变化，从而可将光纤用作传感元件探测物理量。根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器可分为功能型、非功能型、拾光型三大类。

1、功能型光纤传感器中光纤不仅作为导光介质也是敏感元件，光在光纤内受到被测量物理量的调制。它的特点是结构紧凑、灵敏度高，但它须用特殊光纤和先进的检测技术，因此成本高。光纤陀螺即是典型的功能型光纤传感器。

2、非功能型光纤传感器中光纤仅起导光作用，光照到非光纤型敏感元件上受被测量物理量调制。因其无需特殊光纤及特殊技术，易实现、成本低，但灵敏度也相应较低，常用于灵敏度要求不太高的场合。目前的光纤传感器大多是该类型的。

3、拾光型光纤传感器中光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、

散射的光。如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。

光纤传感器的特点

由光纤传感器的原理我们可以很容易理解它有如下几个特点：

（1 ）光纤具有宽波长范围、低衰减的特性，光源、检测器和光学元件的选择余地大，可以适用于不同的应用场合。

（2 ）光纤的尺寸相对较小、截面形状均匀，使表面封装或包埋变得容易。

（3 ）光纤不受电磁条件的干扰，适合于各种苛刻环境。

（4 ）光纤传感器监测参数范围广：张力、温度、压力、湿度、振动、特殊化学品（例如评估老化、降解）、声波传输、断裂等，应用范围广。

（5 ）可用于数千米远程数据遥感勘测、在线数据获取，作用距离远。

光纤传感器的应用

光纤传感器的优越性能使其问世以来就备受关注，现已广泛的应用于许多领域，如：

（1 ）光层析成像技术光层析成像技术源于X 射线层析成像分析（C T ），当X 射线或光线传输经过被测样品时，不同的样品材料对射线的吸收特性有不同，因此对经过样品的射线或光线进行测量、分析，并根据预定的拓扑结构和设计进行解算就可以得到所需要的样品参数。光纤相干层析成像技术（O C T ）主要应用于生物、医学、化学分析等领域，如视网膜扫描、胃肠内视和用于实现彩色多普勒( C D O C T ) 血流成像等。OCT 为生物细胞和机体的活性检测提供了一种有效的方式，世界上有许多国家都开发出相应的产品。德国的科学家近期推出了一台可用作皮肤癌诊断的O C T 设备。此外，利用O C T 可以实现深度测量（约1 毫米）的优势，已有实例应用于对生长中的细胞进行观察和监视中。

（2 ）智能材料

智能材料是指将敏感元件嵌入被测构件机体和材料中，从而在构件或材料常规工作的同时实现对其安全运转、故障等的实时监控。其中，光纤和电导线与多种材料的有效结合是关键问题之一，尤其是实现与纺织材料的自动化编织。美国南卡罗来那州立大学、弗吉尼亚理工大学和费城纺织学院都在此方面进行了大量工作并取得了突破性进展。智能材料可作为桥梁、大坝等混凝土大型建筑的监测系统。此外，智能材料在航空航天领域的应用也日趋广泛，尤其是采用光纤光栅和光纤分布式应力、温度测量系统进行恶劣环境条件－高温、变形的多参量监测取得了明显的效果。

（3 ）光纤陀螺及惯性导航系统

光纤陀螺（I - F O G ）及惯性制导系统历经2 5 年的发展，目前已进入实用阶段。1976 年Vali 和Shorthill首次提出并实验验证I - F O G 原理之后的五年间，世界范围内的主要工作集中于基本结构的研究、结构小型化、开环和闭环结构的讨论等。从1980 到1990 年的十年中，对系统误差因子和光纤器件的研究取得了显著的进展，新型的S L D 光源、保偏光纤

及耦合器的采用，以及特殊的绕制技术为陀螺的实用化铺平了道路。上世纪90 年代，中级的I - F O G 由于采用了消偏结构、3 轴I - F O G 、E D F A 光源等新型光纤器件和技术，实现了成本降低、体积减小和性能提高的目的，并率先在航天及军事领域获得应用。例如，美国Honeywell公司为美国军方制造的用于直升机的三轴惯导系统直径仅为86mm。国际上有些高性能光纤陀螺的漂移指标已达到0.001°/hr，许多产品已经投入民用飞机和汽车工业。光纤陀螺在工业领域的应用应该还有更广阔的天地。

（4 ）工业工程类传感器

工业工程类传感器包括应用光纤电光和磁光效应进行测量的电力工业用大电压、电流传感器，而且在许多特殊场合如核工业、化工和石油钻探中都应用了光纤监测

传感系统，都取得了较好的效果。

发展趋势

光纤传感器发展非常迅速，目前已有光纤压力传感器、光纤磁场传感器、光纤温度传感器、光纤应变传感器、光纤电场传感器等用于各方面的测试系统。但由于我国目前光纤传感器的产业化和应用方面还远不能满足国民经济发展的需求，因此加快和促进光纤传感器的商业化、产业化进程，无疑是今后发展的主要方向。光纤传感器有着突出的优点，但也有亟待解决的问题（如光纤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；组成光纤传感器各元件的本身性能对测量精度的影响等）。认真研究光纤传感器元器件的性能（有效抑制光源波动、减少光纤传输损耗），特别是进一步改进敏感元件的制作工艺及结构、探索新的敏感机理，充分发挥微处理技术和计算机软件功能，改善和补偿光纤传感器的性能，发展数字化、集成化、自动化、工程化的新型光纤传感器，研制适合网络化应用的光纤传感器阵列和满足特殊测量要求的新型光纤传感器将是今后的研究和发展趋势。