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光纤传感器的发展趋势

 光纤传感器是一种新的传感器技术,其灵敏度、响应速度、电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性、防爆防燃、适合远程传输、易于与计算机连接、构成光纤传输系统和遥测网络等与其他传统传感器相比性能优异。现在正在开发测量位移、压力、液面、流量、温度等物理量的光纤传感器。

  简单介绍一下光纤吧。光纤也称为光导纤维,是利用玻璃或塑料制光纤的光全反射原理的光传导工具。光纤是由香港中文大学校长高辊发明的。

   塑料护套内置光纤,无需切断即可弯曲。通常,光纤一端的发送装置使用发光二极管( led )或激光束向光纤传送光脉冲,光纤的另外一端的接收装置使用受光元件检测脉冲。

   在日常生活中,光纤的光传导损失比电线的光传导损失低很多,因此长距离的信息传导使用光纤。

 一、光纤传感器的构造

    光纤是如图所示特殊结构的光学纤维,简称为光纤。中心的圆柱称为铁心,包围铁心的圆形外侧的层称为包层。芯和包层通常由不同的掺杂石英玻璃( SiO2)构成。纤芯的折射率n 1比包层的折射率n 2稍大,光纤的导光能力依赖于纤芯和包层的性质。保护罩外侧还有为了提高机械强度而使用尼龙材料的保护罩。


 图1光纤的基本结构1.png


     结构优势:光纤材料柔软,质量轻,绝缘性好,防爆型广泛用于医学、自动化试验和航空宇宙设备。

     将光纤通信称为光纤通信。 一对金属电话线可以同时传输1000多路电话,理论上,像一对细线那样的光纤可以同时传输100亿个电话。铺设1000公里的同轴电缆需要约500吨的铜,切换到光纤通信需要数公里的石英。沙子里含有石英,几乎取之不尽。

     光纤传感器是利用光在光纤中传播引起光干涉、衍射、偏振、反射、损失等物理特征的变化,进行各种物理量测定的装置及设备。这是光电传感器的分支点,在需要微小的部件和设置空间的控制的情况下,由于以往的光电传感器难以使用而诞生。光纤传感器一般由光源、接口、光纤、光检测器、光调制机构、信号处理部等构成。

 其工作原理是,来自光源的光通过接口进入光纤,光调制机构将由光检测器检测出的参数调制为振幅、相位、颜色或偏振信息,最后用微处理器进行信号处理。

2.png

 图示基本光纤光栅的感测原理图

 二、光纤式传感器的应用领域背景

 (1)光纤传感器的历史

 1 .光纤传感器的发展背景

 1870年有一天,英国物理学家邓德尔在皇家学会的讲堂解释了光反射的原理,让观众惊讶。从水桶的小孔中流出水,桶上用灯把水照亮,流出水流弯曲,光线也跟着弯曲,可以看到光被水捕获到。

   发现光沿着从葡萄酒桶中发出的细葡萄酒的流动传递,光沿着玻璃棒前进。为什么呢? 光线已经直不进了吗?这些现象引起了丹德尔的注意,但他的研究发现,这是全反射的作用,即从水中向空气入射的光的入射角超过一定角度时,折射光线消失,所有光线都向水中反射。从表面来看,光线在水流中弯曲前进。实际上,在弯曲的水流中,光沿着直线传播,但在内面只是发生了多次全反射,光经过多次全反射向前方传播。

  它们是透明的,可以制造出一些玻璃丝,粗细如蜘蛛丝的玻璃纤维。光线以适当的角度入射到玻璃丝上时,光就沿着折射的玻璃丝前进。该玻璃丝(纤维)可以用于传输光线,因此称为光纤。

 1880 -塔里安·阿拉伯尔发明了光束通话传输  

   1960 -电辐射及光纤的发明 

 1966 -华裔科学家“光纤的父亲”的高锟预言光纤将被用于通信。

 1970年-美国康宁公司成功开发了仅有20 DM/km的传输损失的光纤。

   1977 -首次引进电话光纤网络 

   1978 fort在法国设置了最先制造的光纤电缆 

   1979 -赵桦森提取了我国自主开发的第一个实用光纤,被称为“中国光纤之父”。

    1990 -面向LAN及其他短距离传输应用程序的光纤 

   2000 -边缘间光= >边缘间光

 将2005 FTTH光纤直接连接到家庭

 在中国,光纤被用于通信技术。1979年9月,1根3.3公里的120条光缆通信系统建设在北京,数年后依次铺设上海、天津、武汉等光缆线路,通过光缆进行通信。

  

 2 .现在的光纤传感器的应用领域

 医学:使用光纤的内窥镜,对胃、食道、十二指肠、心脏、脑室等疾病检查有帮助。光纤胃镜是由千根玻璃纤维构成的管,具有传送光、传送图像的能力,具有柔软、柔软、可自由弯曲等优点,可通过食道插入胃。光导纤维把胃里的图像传出来,医生看胃状况,根据情况诊断和治疗。

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      图示内窥镜 

 利用激光雷达原理测定另一个血流的血流传感器,由于光纤细,因此可以放入注射针插入血管。

 自动模式:现在位移的光纤传感器、压力传感器、流速传感器和温度、加速度、磁电等光纤传感器。

 (3)光纤传感器的应用类型

  现在,光纤传感器有70种以上,大致分为光纤自身的传感器和利用光纤的传感器。。   

 光纤自身的传感器是指光纤自身直接接收外界的被测定物。外接的被测量物理量会引起测量臂的长度、折射率、直径的变化,在光纤内传播的光会变化为振幅、相位、频率、偏振光等。测量臂传输的光与参照臂的参照光发生干涉(比较),使输出光的相位(或振幅)变化,根据该变化可以检测出被测量物的变化。在光纤中传播的相位受外界影响的灵敏度高,通过干涉技术可以检测出与10的负4次方弧度的微小相位变化对应的物理量。由于光纤的绕线性和低损失,可以使长条光纤光盘成为小直径的光纤,使用长度变长,可以得到更高的灵敏度。  

 图示侧面诱导光纤4.jpg


  光纤声传感器是利用光纤本身的传感器。微小外力作用于光纤时,会产生微小的弯曲,其光传递能力会发生很大变化。声音是机械波,通过对光纤施加力使其弯曲,可以得到声音的强弱。

图示耐震型光纤音响传感器300×2295.jpg

  光纤陀螺仪也是光纤自身的传感器之一,与激光陀螺仪相比,光纤陀螺仪的灵敏度高,体积小,成本低,可用于飞机、船、导弹等高性能惯性导航系统。图是光纤传感器的涡轮流量计的原理。

    

图示光纤陀螺仪6.jpg


 另一大类光纤传感器是利用光纤的传感器。传感器位于光纤的端部,光纤只是光的传输线,将测量的物理量转换为光的振幅、相位或振幅的变化。在该传感器系统中,将以往的传感器和光纤组合起来。通过引入光纤,探针化遥测成为可能。这种光纤传输传感器适用范围广,易于使用,但精度比第1种传感器稍低。

 光纤传感技术的应用研究有光纤成像技术( oct、opt )、智能材料( smart materials )、光纤陀螺传感器和常规导光系统( ifog、imid )和以往的工程学工业传感器4个主要类别。另外,由于光纤通信市场需求的牵引和感应技术的特殊要求,新设备和特殊光纤的研究成果也陆续出现。

  (4)有关现在的传感器测量的参数状况、开发领域

 1 .开发领域

   近年来,传感器灵敏度、准确度、适应性强,正在朝小型化、智能化的方向发展。在这个过程中,被称为光传感器的传感器家族的新成员被认为是有前途的。光纤具有对电磁干扰和原子发射的耐性、细径、柔软、轻量的机械性质、绝缘性、无诱导电性质、耐水性、耐高温性、耐腐蚀性的化学性质等许多优异的性能,在人不能到达的地方(高温区域等)和对人有害的地方(核发射区域等)有人的眼睛。

 光纤传感器是用于测定声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等各种物理量的新技术,能够进行以往的测定技术中困难的测定作业。在狭窄的空间内,在强电磁噪声和高电压的环境下,光纤传感器发挥独特的能力。

 三、国内外的光纤传感器比较

      国外光纤技术比较领先,桥梁的应用面和电气通信传输面以及光纤温度、压力传感器等比较先进,用于光纤测试的桥梁受力,已经在日本和美国有很好的发展,同时在2004年2月美国佛蒙特州建成该州第一座复合材料的桥梁在50英里外通过传感器进行监控。

    同时国外的分散光传感器发展迅速,重视分散光纤测定和航空核技术开发,着重于研究。

   在国内,光纤式传感器的研究也受到了很多关注,20世纪90年代一直受到关注,1997年和2005年末达到峰值,近年来学术上的关注降低,但作为新技术的研究还没有停止。

     目前,我国的研究成果有基于DSP平台的激光二极管控制系统、光谱吸收的光纤传感器光源波长稳定控制技术、基于荧光机制的光纤农药残留测定系统的理论和实验研究,其中华中科技大学机械学院的光纤。

    目前,世界光纤传感领域的发展分为两个方向:原理性的研究和应用开发。 随着光纤技术的成熟化,光纤传感器的实用化开发已成为全领域发展的热点和重要性。由于光纤传感技术没有像光纤传感技术那样迅速产业化,许多关键技术停留在实验室的试制阶段,由于距商业化有一定的距离,光纤传感技术的原理研究仍处于重要的位置。许多光纤传感器的开发目前已经很成熟,可靠性和成本已得到公认,以替换已经广泛采用的以往的机电传感器为目的,尽管具有电磁绝缘、高灵敏度、容易多重化等许多优点,但是市场渗透困难。具有前所未有的新功能的光纤传感器占据了竞争优势,FBG和其他光栅系统传感器成为最佳事例。

 目前的原理性研究焦点重点在于光纤光栅( FBG和lpg )型传感器和分散型光纤传感系统的2大板。

     FBG型光纤传感器从发明的日子开始,经过了原理性研究和实验论争的阶段。目前成熟的FBG制造工艺形成了小批量生产能力,但研究的焦点在高精度应用程序的解决、解调和多重化技术的完善、成本的削减等几个方向上移动。另一方面,由于光纤传感器具有将传输和传感器介质相结合的特性,因此沿着配线路径的光纤全部成为传感器元件,因此分散传感器成为光纤传感器的优点。

     目前,中国的光纤传感器研究大部分集中于大学和科学研究机构,实验室向产品化的转移尚未完成。其中,比较成熟的技术是清华大学的光纤传感中心和总后合作开发的光纤储油室的液位和温度测定系统,已经运行了数年。北京航空宇宙大学和最终组装合作开发的光纤陀螺仪系统,目前的指标是0.2°/ HR中国计量学院开发的分散光纤传感系统,已有产品的报道。华中理工大学和广东某公司共同开发的高电压大电流传感器系统。

 另外,在广东、深圳等地,由于设立了很多光纤被动设备制造商。 光纤传感器不能超过产品化的阈值,不像光纤通信产业那样呈指数增长,因此与我们的日常生活密切相关的传感器产品(例如交通管理、报警装置等)和大量的测试设备依然依赖于进口,发展空间非常大。

   差距:美国等国光纤传感器的发展技术比较成熟,美国弹道导弹防御局对其未来的弹道监视、警报卫星和天基防御空间平台的复合材料的表皮埋入光纤传感器、射频天线等多种传感器的智能表皮。

 在我国,光纤传感器的激励电路的研究很多,但是对于制作成适合光纤结构性能特性的电磁防爆放射的传感器,还需要进一步研究。另外,通过我国光纤传感器的价格、精度和能够使用的光纤进行先进的智能材料改良,依然需要多方面的研究和讨论。

 4、光纤传感器的未来

 随着近年来光电技术的飞跃发展,光纤传感技术经过了20多年的发展,已经取得了显著的进步,其主要表现如下: 

 1 .进入实用化阶段,阶段性地形成感应领域的新分支。 

     光纤传感器大部分具有替代或更新光纤陀螺仪、光纤水听器、光纤电压电流传感器等以往的测试系统的独特优点。 应用了一部分光纤传感技术的新型测试系统,例如分散光纤测温系统、以光纤光栅为主的光纤智能结构; 利用光纤制成的新型分光器那样的以往的检查系统改造的电/光变换和光/电变换技术和光纤传输技术,将以往的电子式计算器改造成安全、可靠性高的先进光纤式计算器等。

 2 .出现了新的感应原理,促进了科学技术的发展。

    例如,光纤传感器网络的出现促进了智能材料和智能结构的发展。波长调制型光纤光栅的多参数测量系统的出现,促进了多参数测量系统的发展。光子晶体光纤(多孔光纤photonic crystal fiber )传感的可能性促进光子晶体的发展等。 

    尽管如此,光纤传感技术的现状还是不能充分满足实际需求,需要讨论的课题有很多。

 ①传感器的实用化研究。 感测系统,特别是感测器的性价比提高 

  ②传感器的应用研究。 根据现有的科学研究成果,大力开展应用研究和应用成果的宣传。

 ③新感测机制的研究、新光纤传感器的开发; 

 ④传感器用特殊光纤材料和元件的讨论。 例如,增感及减感光纤、荧光纤、电极化纤维研究等。

 通常,光纤传感器必须进一步发展。光纤柔软性好,受力好,微小,结合相应的检查功能开发出新的材料结构,同时结合海底管、医学检查、核辐射、化学成分检查腐蚀检查等,克服其环境条件下的弱点,研究可检查的新型传感器。

     


 参考文献:

【1】廖延彪,光纤传感器的今日与发展,清华大学电子工程系

【2】华泽玺,西南交通大学

【3】宋文绪,杨帆,自动检测技术(第三版),高等教育出版社



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