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1、光纤传感器光纤传感器的研究及应用信息工程学院电子信息工程专业1班20072410135辛振宇摘要 :介绍了光纤传感器与其他传感器相比的优点,还介绍了传感型光纤传感器与传光型光纤传感器的基本原理, 同时, 文章阐述了强度调制型光纤传感器,干涉型光纤传感器，光纤光栅和光纤声发射传感器的应用，文章最后提出了我国光纤传感技术存在的问题以及发展方向。Development and application of fiber-optic sensors Abstract:This paper first introduces the advantages of fiber-optic sensors as

2、compared with other sensors and the basic principles of the sensing and light-transmitting fiber-optic sensors.Then,it describes the applications of intensity modulation fiber-optic sensor,interferometric fiber-optic sensor,fiber-optic grating and fiber-optic acoustic emission sensor.Finally,it pres

3、ents the problems in and the orientation of development of fiber-optic sensing technology in China.0 概述 近20年来，世界范围内用于光纤通讯和光纤传感器的资金正在不断增长。与传统传感器相比，光纤传感器有一些列独特的优点。它可以在强电磁干扰、高温高压、原子辐射、易爆、化学腐蚀等恶劣条件下使用，高灵敏度及低拐”卧勺优点使其用途广泛，例如能够纰成空间分布列阵及网络，应用于人体医学、城建监控、环境监测等方面。科学家已提出了四十多种测量对象的几百种光纤传感器同时也指出了乐观的市场前景。 20世纪90年代

4、初，只有少数光纤传感器在市场上出现，其原因主要是技术不成熟、可靠性不高。另外。由于早期的光纤传感器是小批量生产，相对产品价格较高。近10年来医学方面已有一百多万种光纤传感器用于人体血液及血压的测量大部分是在美国其他如胆红素、PH值、尿素、辐射等医学测量光纤传感器，正在临床试验阶段，部分已经商品化。光纤传感器可应用于小型侵入诊断，如光纤内诊镜和小型外科手术。 除了强度调制的位移光纤传感器，工业自动化近程传感器，干涉陀螺仪也是目前光纤传感器市场中重要的一类。它应用于航天航海、机器人工业、自控汽车、深钻、发动机及军事方面。 另一个例子就是光纤测温技术。在晶体材料中，不同的温度会引起荧光延迟时间的不同

5、。基于这一原理制作的分点探测传感器广泛应用于工业与医药。把蓝宝石传感器作为黑体，它能探测到飞机引擎、气体涡轮机中2000的高温。同时具有高精度、宽动态范围的优点。基于拉曼散射、光学背向散技术的光纤传感器系统。解决了在一根光纤中从lm到10l范围内温度分布测量的问题。这种分布式传感器正应用于输油管、隧道、油箱、钻孔、地下气体储藏等大型结构的温度监测。20世纪90年代，更多的光纤传感器s)在不断地商业化，比如 压力传感器、液体流量传感器、电流电压传感器、化学传感器、湿度传感器等。目前，世界上已有五百多家企业生产各类光纤传感器。据第15届国际光纤传感器会议统计在FOS市场份额中，“应力”占23。“温

6、度”占17296，“气压声学”占152，“电流电压”占122，“化学，气体”占113。就传感器类型来说“光纤光栅”占44296，“分光计”占111，“散射饭射”占10，“naday旋光效应”占6996，“荧光黑体”占6a，“FOG”占44。 光纤传感器种类繁多，能以高分辨率测量许多物理参数，与传统的机电类传感器相比具有很多优势，如：本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵方便等，因此其应用范围非常广泛，并且特别适于恶劣环境中的应用幅1：1992年世界纤传感市场约19亿美元，1997约305亿荚元，本世纪头10年，仅美国光纤传感器的市场就有50亿美元。随着密集波分复用DW-DM技

7、术、掺铒光纤放大器EDFA技术和光时分复用OTDR技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通系统的方向发展，并且逐步向全光网络演进。在光通信迅猛发展的带动下，光纤感器作为传感器家族中年轻的一员，以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独无二的优势，已迅速成长为年成交额超过10亿美金，并预计将于2010年拥有超50亿美金市场的产业。每年由美国光学工程师学会(OSA)主办的光纤传感国际会议(OFS)及时报道着光纤传感领域的最新进展，并对光纤传感及其相应技术进行有的研讨。 当前，世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器实用化的开发成为整

8、个领域发展的热点和关键。由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那样迅速地获得产业化，许多关键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化有一定的距离，因此光纤传感技术的原理性研究仍处于相当重要的位置。由于很多光纤传感器的开发是以取代当前已相当成熟，可靠性和成本已得到公认，并已经被广泛采用的传统机电传感系统为目的，所以尽管这些光纤传感器具有如电磁绝缘、高灵敏度、易复用等诸多优势，其市场渗透所面临的困难和挑战是可想而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中占有明显优势，FBG和其它的光栅类传感器就是一个最好的例证。当前的原理性研究热点集中于光纤光栅(FBG和LPG)型传感器和分布式光纤传感系统

9、两大板块。 FBG型光纤传感器自发明之日起，已走过了原理性研究和实验论证的百家争鸣阶段。目前成熟的FBG制作工艺已可形成小批量生产能力，而研究的焦点也转向解决高精度应用，完善解调和复用技术，以及降低成本等几个方向上。另一方面，由于光纤传感器具有将传输与传感媒质合而为一的特性，使得沿布设路径上的光纤可全部成为敏感元件，因此，分布式传感成为光纤传感器与生俱来的优点。目前，我国的光纤传感器研究大多数集中于大专院校和科研单位，仍然未完成由实验室向产品化的过渡。其中，比较成熟的技术包括：清华大学光纤传感中心与总后合作研制开发的光纤油罐液位与温度测量系统，已经安装运行数年；北京航空航天大学与总装合作研制的

10、光纤陀螺系统，目前指标为02/hr；中国计量学院研制的分布式光纤传感系统，已有产品报道：华中理工大学与广东某公司联合研制的强电压、大电流传感系统。此外，在广东、深圳等地，还建立了许多光纤无源器件生产厂家。由于光纤传感器未能跨越产品化的门槛，并未象光纤通信产业那样成指数型增长，许多与我们日常生活密切相关的传感器产品(如交通管理、警报装置等)和大量的测试仪器依然依赖于进口，亟待发展的空间非常广阔。 近几年，全球传感器的产量和年增长率均保持在10%以上，目前全球从事传感器生产和研制的单位达5000多家。传感技术作为当今世界迅猛发展起来的技术之一，已经成为衡量一个国家科学技术水平发展的重要标志。近年来

11、，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，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、灵敏度很高、测量带宽很宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点。可以构成传感网络特别是其灵敏度比传统的传感器高几个数量级，可以测量压力、温度、应力、应变、磁场、折射率、形变、微震动、微位移和声压等等。能用光纤传感技术测量的物理量已达到了70多种。1 光纤传感器的基本原理 光纤是利用光的全反射原理来引导光波的。当光波在光纤中传输时，表征光波的特

12、征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)，会由于被测叁量(温度、压力、加速度、电场、磁场等)对光纤的作用而搜生变化，从而引起光波的强度、干涉效应、偏振面发生变化，使光波成为被调制的信号光，再经过光探测器和解凋器从而获得被测参量的参数。 光纤传感器可以按传感原理分为两类，一类称为功能型传感器，它的光纤对被测信号兼有敏感和传输的作用，即它具有传与感台的特点。另一类称为非功能型传感器，它的光纤仅起传输的作用，而对被测信号的感觉则是利用其他光学敏感元件来完成的。光纤传感器还可以按光波在光纤中被调制的原理分为：光强调制型、相位调制型、偏振态凋制型和波长调制型等几种形式。下面介绍这几种光纤传感器的应用原理及其

13、基本特点。11光强调制型 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；改变光纤的徽弯状态，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。11 .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1。它是利用多模光纤在受到弯曲时，一部分芯模能量会转化为包层模式能量这一原理，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

14、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。1 . 1 . 2 L 2改变光纤对光波的吸收特性 x射线和y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。113改变光纤包层的折射率 图2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发生变化，全反射的条

15、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。12相位调制型 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(包括水声)、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(只要能对干涉仪中的光程产生影响均可以传感)，但是需要特种光纤。这主要是针对光纤干涉仪中为获得干涉效应要采用单模光纤，最好采用“双折射率”单模光纤，并且为了使光纤干涉仪对被测物理

16、量进行“增敏”，对非被测物理量进行“去敏”，需对单模光纤进行特殊处理，以满足测量不同物理量的要求。图3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L(对应于光纤的弹性变形)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。13偏振态调制型 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

17、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，旋转角口与磁场强度H、磁场中光纤的长度L满足：e=Km，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HI2积(R是光纤与载流导线问的垂直距离)，则口一KLI2椒只要测出日，L，R即可求出导线中的电流。图4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。 光纤传感技术分为传光型光纤传感技术和传感型光纤传感技术。光纤传感技术的核

18、心是光纤传感器，相应的光纤传感器也分为传感型光纤传感器和传光型光纤传感器。1.4传感型光纤传感器原理 传感型光纤传感器也称功能型光纤传感器，光纤既传光又传感而且还充当敏感元件 对于传感型光纤传感器而言，当光在光纤中传播时，被测对象或外界因素作用在光纤上，会使光纤中传输光的振幅相位，波长和偏振态等发生改变。此过程为光波的调制。把调制后的光波经光纤传输到光电探测器解调后转换成电信号输出，传感型光纤传感器的原理比传光型光纤传感器的原理复杂。传感型光纤传感器中应用最多的是相位调制型光纤传感器或干涉型光纤传感器。其原理是外界因素使得光纤中传输光波的相位发生变化进而改变出射光、干涉光的强度，以此达到测量目

19、的。 式中，为光在真空中的波长 ，n为光纤纤芯的折射率，l为光在光纤中传播的距离。 一般通过外界因素可改变n和l进而可改变相位,而相位和出射光光强 I密切相关，从而改变出射光光强。 常用的干涉型光纤传感器有Michelsion干涉式光纤传感器,Mach-Zehnder干涉式光纤传感器、Fabry-perot(F-P)干涉式光纤传感器、Sagnac干涉式光纤传感器和Fizeau干涉式光纤传感器等.干涉型光纤传感器是光纤传感与测量技术高精度测量中的最佳选择。1.5传光型光纤传感器原理 传光型光纤传感器也称非功能型光纤传感器或强度调制型光纤传感器。光纤主要起传输光波的作用，在光纤中间或端部加敏感元件

20、。其主要由光源光纤、光调制器、敏感元件、光电探测器和检测电路等组成。传光型光纤传感器主要是强度调制型光纤传感器，其基本原理是待测物理量引起光纤中传输光的光强I变化，通过检测光强 I的变化来实现对待测物理量的测量。强度调制的特点是简单、可靠、经济、强度调制方式很多，主要有反射式强度调制和透射式强度调制。1.5.1反射式强度调制型光纤传感器 图5是反射式强度调制原理示意图。 图5 反射式强度调制原理图设输入光纤输出的光强为则输出光纤接收的光强I为式中，r为输入光纤纤芯半径，d是移动反射器的反射面到输入（输出）光纤端面的距离，是输入光纤的最大出射角，为移动反射器的反射率，为光源种类及光源与光纤耦合情

21、况有关的调制参数。 移动反射器改变，就可以改变输出光纤接收光强I的大小。1.5.2透射式强度调制型光纤传感器 图2是透射式强度调制原理示意图。图2中，通过移动接收光纤方向改变d与y来改变发送光纤与接收光纤端面重合面积的大小， 就可以改变接收光纤接收光强I的大小。式中，为光源耦合入发送光纤中的光强，d为发送光纤端面至接收光纤端面间的距离，为光纤折射率分布的相关参数，阶跃型光纤。2 几种主要的传感器 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

22、)，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。光纤啁啾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。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

23、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Sagnac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，使得两柬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。FOG

24、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的成本在逐渐降低问。目前，FOGs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

25、、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酬ay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。在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

26、线性双折射m，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。3 光纤传感器的应用20世纪90年代，占光纤传感器市场份额最大的是流水线控制、航空和医药的应用。近几年，人们也看到了光纤传感器在其他方面的增长，这归功于分布式传感器和多路技术的快速发展，如用于健康检查、化学与生物传感。下面，我们举例说明当前光纤传感器在各个领域的应用。3.1 医学上的应用 医用传感器是医学测量仪器的第一环节

27、，是医学仪器与人体直接耦合关键的器件。可以说它在从定向医学走向定量医学发展过程中起到了重要作用，特别是光纤传感器在观察体内器官、传递形态学检查图像中起到重要作用。目前，医用光纤传感器的研究与应用正受到广泛重视，种类也日趋繁多，功能和质量也不断完善，从而越来越显示出光纤传感技术在医学应用的广泛前景。 传感器的小尺寸在医学应用中是非常有意义的，光纤光栅传感器是现今能够做到最小的传感器。光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量，提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息。光纤光栅传感器对人体组织的损害非常之小，足以避免对正常医疗过程的干扰。一种光纤光栅阵列温度传感器被设计用来

28、测量超声波、温度和压力场，内部实地地研究病变组织的超声和热性质，传感器的分辨率为0，1，精度为02C，测量范围为3060。C。另一个光纤光栅温度传感系统641被研制用来遥测核磁共振机中的实地温度，探头由四个光纤光栅组成，探头置于核磁共振机中的一个容器中，容器中的磁场约47T，用25m长的光纤连接探头和解调仪，系统的分辨率为01，精度为O5，测量范围为25-60。3.2 岩土工程中的应用 对输油管、地下天然气存储、钻孔和大坝进行分布式拉曼温度监测；在煤矿、隧道、山岩中安放嵌入布拉格光纤压力传感器的岩柱：在很深的钻孑L或火山中用干涉型光纤传感器系统进行地震测量。3.3城市建设的应用 桥梁、大坝、油

29、田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用；在混凝土中嵌入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。3.4 电力系统的应用 电力工业中的设备大都处在强电磁场中，一般电类传感器无法使用。很多情况下需要测量的地方处在高压中，如高压开关的在线监测，高压变压器绕组、发电机定子等地方的温度和位移等参数的实时测量，这些地方的测量需要传感器具有很好的绝缘性能、体积要小、而且是无源器件，光纤光栅传感器是进行这些测量的最佳选择。有一些电力设备经常位于难以到达的地方，如荒山野岭、沙漠荒原中的传输电缆和中继变电站，使用分布式光纤光栅传感系统的遥测能力可以极大地减少设备维护费用。因此光纤光

30、栅传感器在电力工业中的应用前景很好。 德国西门子公司正在将光纤光栅传感器用于气冷涡轮发电机定子温度的测量，他们用环氧树脂将光纤光栅埋入定子中，光纤光栅经过特殊的封装，以保证在真空和4x105Pa压强下没有形变，并且对160温度下环氧树脂中的化学和物理变化不敏感，他们的目标是连续测量范围从20到60，测量精度小于1。同时，他们还在同一发电机中对大电流进行了测量。 日本北海道就在用光纤光栅传感器测量高压传输电缆的积雪荷载。SmartFibreLtd准备制造复合材料叶片，在制造过程中将光纤光栅传感器埋入复合材料中，对风力涡轮发电机进行长期地实时实地监测。在此应用中，光纤光栅传感器可克服电类传感器受电

31、磁干扰，怕雷击的缺点。3.5石油化学工业中的应用 石化工业属于易燃易爆的领域，电类传感仪器用于诸如油气罐、油气井、油气管等地方的测量存在不安全的因素。光纤光栅传感器因其本质安全性非常适合在石油化工领域里应用。挪威的Optoplanl41正在开发用于永久井下测量的光纤光栅温度和压力传感器。“边钻边测”系统对钻井作业是非常有利的，weis等人用光纤光栅制成一个并下光纤光栅调制器，用来跟踪钻井过程中绞盘头的幅度变化。有人在海上钻井平台的复合材料索链中安装光纤光栅传感器用来测试索链棒的强度和疲劳。美国的CiDRA和英国的SmartFibresLtd都在将光纤光栅传感技术用于海洋石油平台的结构监测。3.

32、5航空航天 航空航天业是一个使用传感器密集的地方，一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等，所需要使用的传感器超过100个，因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤光栅传感器只有1根光纤，敏感元件(光栅)制作在纤芯中，从尺寸小和重量轻的优点来讲，几乎没有其他传感器可以与之相比。因此航空航天业对光纤光栅传感技术非常重视，仅波音公司就注册了好几个光纤光栅传感器的技术专利。 美国国家航空和宇宙航行局对光纤光栅传感器的应用非常重视，他们在航天飞机x33上安装了测量应变和温度的光纤光栅传感网络，对航天飞机进行实时的健康监测。X33是一架原型机，设计用来作“国际空间站”的往返飞行。埃姆斯研究中心用无损伤灵敏压力传感器对直升机旋翼进行测量，他们将光纤光栅传感器埋入一个特别设计的套管中，管厚小于16mm可在飞行和风洞试验中提供两维、实时的传感数据。目前直升机旋翼的压力传感是在机翼上钻