光纤传感器的应用和发展

文章编号:100320794(2004)0820009202

光纤传感器的应用和发展

马天兵,杜　菲

(安徽理工大学,安徽淮南232001)

摘要:主要阐述了光纤传感器的原理、特点及国内外的发展情况,介绍了在实际测量中的一些具体应用。提出了我国光纤传感器存在的问题,指出了今后发展的方向,为光纤传感器的深入研究提供了有益的参考。

关键词:光纤传感器;测量精度;传感技术

中图号:T N253文献标识码:A

1　前言

自20世纪70年代以来,光纤传感器取得了飞速发展。由于它独特的优点,决定了可实现某些特殊条件下的测量工作,比常规检测技术具有诸多优势,是传感技术发展的一个主导方向。光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势。光纤传感器产业已被国内外公认为最具有发展前途的高新技术产业之一,它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。

2　光纤传感器的原理

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、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、弯曲、应变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。光纤传感器就是根据这些参量随外界因素的变化关系来检测各相应物理量的大小。

光纤传感器与传统传感器相比有其独特的优点,即非接触式测量、抗干扰力强、灵敏度高、体积小、重量轻、柔性好,而且测量对象广泛。因此,在传感器行业中,光纤传感器越来越显示出它的优势。它将替代传统的机械接触式传感器及电容非接触式传感器。机械接触式传感器磨损被测表面,这就限制了测量精度。电容非接触式传感器的抗电磁干扰力差,使得其实用范围受到限制。

3　国内外光纤传感器的发展概况

由于光纤传感器应用的广泛性及其广阔的市场,其研究和开发在世界范围内引起了高度的重视,各国家更是竟相研究开发并引起激烈的竞争。

美国是研究光纤传感器起步最早、水平最高的国家,在军事和民用领域的应用方面,其进展都十分迅速。在军事应用方面,研究和开发主要包括:水下探测的光纤传感器、用于航空监测的光纤传感器、光纤陀螺、用于核辐射检测的光纤传感器等。这些研究都分别由美国空军、海军、陆军和国家宇航局(NAS A)的有关部门负责,并得到许多大公司的资助。美国也是最早将光纤传感器用于民用领域的国家。如运用光纤传感器监测电力系统的电流、电压、温度等重要参数,监测桥梁和重要建筑物的应力变化,检测肉类和食品的细菌和病毒等。日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光纤传感器的研究与开发。日本在20世纪80年代便制定了“光控系统应用计划”,该计划旨在将光纤传感器用于大型电厂,以解决强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中的信息测量、传输和生产过程的控制。20世纪90年代,由东芝、日本电气等15家公司和研究机构,研究开发出12种具有一流水平的民用光纤传感器。西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光纤传感器的研发和市场竞争,其中包括英国的标准电讯公司、法国的汤姆逊公司和德国的西门子公司等。

我国在20世纪70年代末就开始了光纤传感器的研究,其起步时间与国际相差不远。目前,已有上百个单位在这一领域开展工作,如清华大学、华中理工大学、武汉理工大学、重庆大学、核工业总公司九院、电子工业部1426所等。他们在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移计等领域进行了大量的研究,取得了上百项科研成果,其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值,有的达到世界先进水平。每年发表的论文、申请的专利也不少。但与发达国家相比,我国的研究水平还有不小的差距,主要表现在商品化和产业化方面,大多数品种仍处于实验室研制阶段,不能投入批量生产和工程化应用。

4　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

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　2004年第8期 煤 矿 机 械

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)我国使用高温传感器每年要消耗几十亿元,传统使用铅佬丝热电偶来测量高温,寿命短,成本高,而且在工业生产中需要停产来更换热电偶,严重影响了生产。20世纪80年代美国提出使用蓝宝石光纤来制备高温传感器,但价格昂贵,只能应用于特殊场合。因此,研究和开发测量精度高、性能稳定、成本低的光纤高温传感器具有极大的市场需求。

(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。目前防雷抗干扰已经成为我国大坝安全监测自动化中最为棘手的问题。光纤传感器的使用为彻底解决防雷抗干扰的问题创造了条件。尽管光纤传感器在国内水利工程上的应用尚处于起步阶段,但由于具有其他传感器无法比拟的优越性,将使其具有十分广泛的应用潜力。加拿大一公司开发的能用于水利工程的传感器已十余种且逐步系列化,分辨率011℃的温度传感器、精度达0102mm 的位移计、011%F.S.的压力传感器等已成功应用于水利工程。国内此方面的研究和研制也已起步。

(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、C O 等气体,采用电类传感器不但达不到要求的精度,更严重是会引起安全事故。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　我国光纤传感器目前存在的问题

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,作为系统信息获取与传输核心器件的光纤传感器的研究非常重要。但也存在着亟待解决的问题,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,组成光纤传感器各部分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的各组成部分元器件的性能(有效抑制光源波动、减小光纤传输损耗),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以改善和补偿光纤传感器的性能,发展数字、集成化和自动化、工程化的新型光纤传感器,研制出适合于网络化应用的光纤传感器阵列及特殊测量要求的新型光纤传感器是今后的研究发展趋势。

6　结语

近年来,随着光纤通信技术的迅速发展,特别是光纤与光电器件的理论、工艺水平和性能的不断提高和完善,使光纤技术进入了非通信领域。光纤传感技术自20世纪80年代以来,受到世界各国的极大重视。十几年来,光纤传感器一直被设想为主导传感技术,但至今尚未实现。虽然对各种各样的光纤传感机理进行了大量的研究和开发,但实用化的例子还是有限的。在现代信息社会中,随着相关科学技术的进步和完善,光纤传感技术及其应用将有着越来越重要的地位。“中国2010年远景规划”已将传感器列为重点发展的产业之一,随着我国加入世界贸易组织,传感器的市场需求和发展空间的潜力是非常巨大的。

参考文献:

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[3]周李承1光纤纳米生物传感器的现状及发展[J ]1传感器技术,2002,(12):56-59.

[4]郑宏军1两种典型的光纤传感器研究现状和发展趋势[J ].传感技术学报,2001,(4):281-284.

作者简介:马天兵(1980-),安徽庐江人,安徽理工大学在职研究生,从事机电一体化教学与科研工作,已发表论文数篇1

收稿日期:2004202224

Development and application of fiber -optic

MA Tian-bing ,DU Fei

(Anhui University of Science and T echnology ,Huainan 232001,China )

Abstract :The principle ,characteristic and development of fiber -optic sens ors are introduced in this paper ,meanwhile the application in the test is discussed 1The problems of our fiber -optic sens ors are brought forward and the developing direction of fiber -optic sens ors will be pointed out in order to provide beneficial reference for further research of fiber -optic sens ors 1

K ey w ords :fiber -optic sens or ;measure precision ;sensing technique

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01・ 光纤传感器的应用和发展———马天兵,等 2004年第8期