光纖傳感器的今日發(fā)展概況

1、.：.；光纖傳感器的今日的開(kāi)展概略一、引言 隨著密集波分復(fù)用DWDM技術(shù)、摻鉺光纖放大器EDFA技術(shù)和光時(shí)分復(fù)用OTDR技術(shù)的開(kāi)展和成熟，光纖通訊技術(shù)正向著超高速、大容量通訊系統(tǒng)的方向開(kāi)展，并且逐漸向全光網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。在光通訊迅猛開(kāi)展的帶動(dòng)下，光纖傳感器作為傳感器家族中年輕的一員，以其在抗電磁干擾、輕巧、靈敏度等方面獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)，已迅速生長(zhǎng)為年成交額超越10億美金，并估計(jì)將于2021年擁有超越50億美金市場(chǎng)的產(chǎn)業(yè)。每年由美國(guó)光學(xué)工程師學(xué)會(huì)(OSA)主辦的光纖傳感國(guó)際會(huì)議OFS及時(shí)報(bào)道著光纖傳感領(lǐng)域的最新進(jìn)展，并對(duì)光纖傳感及其相應(yīng)技術(shù)進(jìn)展有益的研討。 當(dāng)前，世界上光纖傳感領(lǐng)域的開(kāi)展可分為兩大方向：

2、原理性研討與運(yùn)用開(kāi)發(fā)。隨著光纖技術(shù)的日趨成熟，對(duì)光纖傳感器適用化的開(kāi)發(fā)成為整個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展的熱點(diǎn)和關(guān)鍵。由于光纖傳感技術(shù)并未如光纖通訊技術(shù)那樣迅速地獲得產(chǎn)業(yè)化，許多關(guān)鍵技術(shù)依然停留在實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段，距商業(yè)化有一定的間隔 ，因此光纖傳感技術(shù)的原理性研討仍處于相當(dāng)重要的位置。由于很多光纖傳感器的開(kāi)發(fā)是以取代當(dāng)前已相當(dāng)成熟，可靠性和本錢已得到公認(rèn)，并曾經(jīng)被廣泛采用的傳統(tǒng)機(jī)電傳感系統(tǒng)為目的，所以雖然這些光纖傳感器具有如電磁絕緣、高靈敏度、易復(fù)用等諸多優(yōu)勢(shì)，其市場(chǎng)浸透所面臨的困難和挑戰(zhàn)是可想而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纖傳感器那么在競(jìng)爭(zhēng)中占有明顯優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)BG和其它的光柵類傳感器就是一個(gè)最好的例證。

3、當(dāng)前的原理性研討熱點(diǎn)集中于光纖光柵FBG和LPG型傳感器和分布式光纖傳感系統(tǒng)兩大板塊。 FBG型光纖傳感器自發(fā)明之日起，已走過(guò)了原理性研討和實(shí)驗(yàn)論證的百家爭(zhēng)鳴階段。目前成熟的FBG制造工藝已可構(gòu)成小批量消費(fèi)才干，而研討的焦點(diǎn)也轉(zhuǎn)向處理高精度運(yùn)用，完善解調(diào)和復(fù)用技術(shù)，以及降低本錢等幾個(gè)方向上。另一方面，由于光纖傳感器具有將傳輸與傳感媒質(zhì)合而為一的特性，使得沿布設(shè)途徑上的光纖可全部成為敏感元件，因此，分布式傳感成為光纖傳感器與生俱來(lái)的優(yōu)點(diǎn)。 對(duì)于光纖傳感技術(shù)的運(yùn)用研討主要有以下四大類：光纖層析成像技術(shù)OCT，OPT、智能資料SMART MATERIALS、光纖陀螺與慣導(dǎo)系統(tǒng)IFOG，IMIU 和常

4、規(guī)工業(yè)工程傳感器。另外，由于光纖通訊市場(chǎng)需求的帶動(dòng)以及傳感技術(shù)的特殊要求，新型器件和特種光纖的研討成果也層出不窮。 目前，我國(guó)的光纖傳感器研討大多數(shù)集中于大專院校和科研單位，依然未完成由實(shí)驗(yàn)室向產(chǎn)品化的過(guò)渡。其中，比較成熟的技術(shù)包括：清華大學(xué)光纖傳感中心與總后協(xié)作研制開(kāi)發(fā)的光纖油罐液位與溫度丈量系統(tǒng)，曾經(jīng)安裝運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)年；北京航空航天大學(xué)與總裝協(xié)作研制的光纖陀螺系統(tǒng)，目前目的為0.2/hr ； 中國(guó)計(jì)量學(xué)院研制的分布式光纖傳感系統(tǒng)，已有產(chǎn)品報(bào)道；華中理工大學(xué)與廣東某公司結(jié)合研制的強(qiáng)電壓、大電流傳感系統(tǒng)。此外，在廣東、深圳等地，還建立了許多光纖無(wú)源器件消費(fèi)廠家。由于光纖傳感器未能跨越產(chǎn)品化的門檻，并

5、未象光纖通訊產(chǎn)業(yè)那樣成指數(shù)型增長(zhǎng)，許多與我們?nèi)粘Ｉ钣H密相關(guān)的傳感器產(chǎn)品如交通管理、警報(bào)安裝等和大量的測(cè)試儀器依然依賴于進(jìn)口，亟待開(kāi)展的空間非常寬廣。二、光纖傳感器的原理性研討 1、光纖布拉格光柵 光纖布拉格光柵FBG于1978年問(wèn)世1，這種簡(jiǎn)單的固有傳感元件，可利用硅光纖的紫外光敏性寫入光纖芯內(nèi)，圖1描畫了光纖光柵的根本原理。常見(jiàn)的FBG傳感器經(jīng)過(guò)丈量布拉格波長(zhǎng)的漂移實(shí)現(xiàn)對(duì)被丈量的檢測(cè)，光柵布拉格波長(zhǎng)(B)條件可以由式1表示：式中，光柵周期； n折射率。當(dāng)寬譜光源入射到光纖中，光柵將反射其中以布拉格波長(zhǎng)lB為中心波長(zhǎng)的窄譜分量。在透射譜中，這一部分分量將消逝，lB隨應(yīng)力與溫度的漂移為 2：

6、其中，外加應(yīng)力； Pi,j光纖的光彈張量系數(shù)； 泊松比； 光纖資料如石英的熱膨脹系數(shù)； F溫度變化量。 上式中： 因子典型值為0.22。因此，可以推導(dǎo)出在常溫暖常應(yīng)力條件下的FBG應(yīng)力和溫度呼應(yīng)條件如式下：1pm的波長(zhǎng)分辨率大致對(duì)應(yīng)于1.3mm處0.1或1me的溫度和應(yīng)力丈量精度。 光纖光柵除了具備光纖傳感器的全部?jī)?yōu)點(diǎn)之外，還擁有自定標(biāo)和易于在同一根光纖內(nèi)集成多個(gè)傳感器復(fù)用的特點(diǎn)。圖2是光纖光柵傳感器在一根光纖內(nèi)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)丈量的例子3。 光柵傳感器可拓展的運(yùn)用領(lǐng)域有許多，如將分布式光纖光柵傳感器嵌入資料中構(gòu)成智能資料，可對(duì)大型構(gòu)件的載荷、應(yīng)力、溫度和振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)展實(shí)時(shí)平安監(jiān)測(cè)；光柵也可以替代其它

7、類型構(gòu)造的光纖傳感器，用于化學(xué)、壓力和加速度傳感中。 圖3為傳統(tǒng)阻抗計(jì)與FBG傳感器測(cè)試結(jié)果的比較。美國(guó)的MICRON-OPTICS公司所研制的FBG應(yīng)用系統(tǒng)Si4259 (見(jiàn)圖4)，可同時(shí)丈量多達(dá)4路512個(gè)FBG傳感器，掃描范圍50nm、分辨率1pm、丈量頻率可達(dá)244Hz。 長(zhǎng)周期光柵是指周期大于100mm的光柵，也是繼FBG之后光纖光柵型傳感器的另一個(gè)重要分支。由于丈量利用包層膜耦合的原理，使其同時(shí)具備靈敏度優(yōu)良和制造簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)。圖5是長(zhǎng)周期光柵的透射譜。光纖光柵的其它分支還包括啁啾光柵、斜光柵等2，它們也已付諸運(yùn)用研討6。 2、分布式光纖傳感系統(tǒng) 在世界范圍內(nèi)，由于對(duì)工民建和工業(yè)設(shè)備

8、平安性和效益要求的不斷提高，對(duì)集成的平安檢測(cè)系統(tǒng)的需求逐漸攀升。具備可延續(xù)、無(wú)延續(xù)、長(zhǎng)間隔 丈量并與被丈量介質(zhì)有極強(qiáng)的親和性的分布式光纖傳感系統(tǒng)似乎正是為此而量身定做的。分布式光纖傳感系統(tǒng)通常有三種類型：拉曼型、布里淵型和FBG型。 拉曼型分布式光纖傳感系統(tǒng)是基于光纖拉曼散射效應(yīng)的延續(xù)型傳感器，其任務(wù)原理見(jiàn)圖6。三種類型的傳感系統(tǒng)的運(yùn)用都已見(jiàn)諸于報(bào)道。其中尤以拉曼型分布式傳感系統(tǒng)最為成熟，已勝利地裝載于A340運(yùn)輸機(jī)上圖7。 FBG型分布式傳感系統(tǒng)在應(yīng)力多點(diǎn)分布式丈量中有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)，并可同時(shí)完成溫度和應(yīng)力的雙參量丈量5，為FBG運(yùn)用開(kāi)辟了更為寬廣的前景。圖8引見(jiàn)了采用WDM/TDM解調(diào)的FBG

9、陣列的拓?fù)錁?gòu)造4。三、光纖傳感器產(chǎn)品的運(yùn)用與開(kāi)發(fā) 光纖傳感器的運(yùn)用開(kāi)發(fā)根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)用熱點(diǎn)領(lǐng)域和技術(shù)類型可大致分為四個(gè)大的方向：光纖層析成像分析技術(shù)OCT、光纖智能資料SMART MATERIAL、光纖陀螺與慣導(dǎo)系統(tǒng)、以及常規(guī)工業(yè)工程傳感器。2002年是光纖陀螺I-FOG誕生的25周年，在第15屆OFS年會(huì)上，特別為光纖陀螺開(kāi)辟了專題會(huì)場(chǎng)。 1、光層析成像技術(shù) 光纖層析成像分析技術(shù)從興起到運(yùn)用不過(guò)只需二、三十年的時(shí)間，根據(jù)不同的原理和運(yùn)用場(chǎng)所，可將光纖層析技術(shù)分為光相關(guān)層析成像分析(OCT)和光過(guò)程層析成像分析技術(shù)(OPT)。 光層析成像技術(shù)源于X射線層析成像分析CT，其根本原理如圖9所示。當(dāng)X

10、射線或光線傳輸經(jīng)過(guò)被測(cè)樣品時(shí)，不同的樣品資料對(duì)射線的吸收特性有不同，因此對(duì)經(jīng)過(guò)樣品的射線或光線進(jìn)展丈量、分析，并根據(jù)預(yù)定的拓?fù)錁?gòu)造和設(shè)計(jì)進(jìn)展解算就可以得到所需求的樣品參數(shù)。 光纖相關(guān)層析成像技術(shù)OCT主要運(yùn)用于生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域，如視網(wǎng)膜掃描、胃腸內(nèi)視和用于實(shí)現(xiàn)彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。其任務(wù)原理基于光的相關(guān)檢測(cè)原理，根本系統(tǒng)構(gòu)造如圖10所示。 OCT為生物細(xì)胞和機(jī)體的活性檢測(cè)提供了一種有效的方式，世界上有許多國(guó)家都開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品。圖11為視網(wǎng)膜的CT掃描圖像。德國(guó)的科學(xué)家近期推出了一臺(tái)可用作皮膚癌診斷的OCT設(shè)備。此外，利用OCT可以實(shí)現(xiàn)深度丈量1mm的優(yōu)勢(shì)，已有實(shí)例運(yùn)用

11、于對(duì)生長(zhǎng)中的細(xì)胞進(jìn)展察看和監(jiān)測(cè)中。 而OPT那么面向工業(yè)工程油井、管線等場(chǎng)所，高精度地處理流體的過(guò)程丈量問(wèn)題。由于OPT所關(guān)懷的是光線途徑上的積分過(guò)程，因此相關(guān)的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、丈量實(shí)際分析中的單元分割與信號(hào)處置都是關(guān)鍵。圖12簡(jiǎn)單描畫了傳統(tǒng)OPT的丈量原理，由于OPT具有適用于狹小的或不規(guī)那么的空間、平安性高、丈量區(qū)域不受電磁干擾以及可組成丈量網(wǎng)絡(luò)的多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，為工業(yè)過(guò)程的平安丈量提供了一種優(yōu)良的手段。 2、智能資料 智能資料的提出和研討已有相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，為業(yè)內(nèi)人士所熟習(xí)。智能資料是指將敏感元件嵌入被測(cè)構(gòu)件機(jī)體和資料中，從而在構(gòu)件或資料常規(guī)任務(wù)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)其平安運(yùn)轉(zhuǎn)、缺點(diǎn)等的實(shí)時(shí)監(jiān)控。其中，

12、光纖和電導(dǎo)線與多種資料的有效結(jié)合是關(guān)鍵問(wèn)題之一，尤其是實(shí)現(xiàn)與紡織資料的自動(dòng)化編織。美國(guó)南卡羅來(lái)那州立大學(xué)、佛吉尼亞理工大學(xué)和費(fèi)城紡織學(xué)院都在此方面進(jìn)展了大量任務(wù)。筆者曾參與由美國(guó)軍方資助的預(yù)研工程智能型士兵SMART SOLDIER和智能型降落傘SMART PARACHUTE的研討。圖13展現(xiàn)了一件嵌入光纖和電導(dǎo)線的背心7。其中光纖和電導(dǎo)線的嵌入均已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，為智能型服裝的商業(yè)化處理了又一難題。 智能資料作為橋梁、大壩等混凝土大型建筑的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在國(guó)外多處工程中經(jīng)過(guò)安裝測(cè)試并付諸運(yùn)用。此外，智能資料在航空航天領(lǐng)域的運(yùn)用也日趨廣泛，尤其是采用光纖光柵和光纖分布式應(yīng)力、溫度丈量系統(tǒng)進(jìn)展惡劣環(huán)境

13、條件高溫、變形的多參量監(jiān)測(cè)獲得了明顯的效果。圖14勾勒出分布式傳感器在航天領(lǐng)域多參量監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用方案。 3、光纖陀螺及慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 光纖陀螺I-FOG及慣導(dǎo)系統(tǒng)歷經(jīng)25年的開(kāi)展，目前已進(jìn)入適用階段。 從1976年Vali和Shorthill初次提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證I-FOG原理之后2的五年間，世界范圍內(nèi)的主要任務(wù)集中于根本構(gòu)造的研討、構(gòu)造小型化、開(kāi)環(huán)和閉環(huán)構(gòu)造的討論等。圖15顯示出光纖陀螺的規(guī)范構(gòu)造10。 從1980到1990年的十年中，對(duì)系統(tǒng)誤差因子和光纖器件的研討獲得了顯著的進(jìn)展，新型的SLD光源、保偏光纖及耦合器的采用，以及特殊的繞制技術(shù)為陀螺的適用化鋪平了道路。上世紀(jì)90年代，中級(jí)的I-FO

14、G由于采用了消偏構(gòu)造、3軸I-FOG、EDFA光源等新型光纖器件和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了本錢降低、體積減小和性能提高目的，并率先在航天及軍事領(lǐng)域獲得運(yùn)用。例如，美國(guó)Honeywell公司為美國(guó)軍方制造的用于直升機(jī)的三軸慣導(dǎo)系統(tǒng)直徑僅為86mm。國(guó)際上有些高性能光纖陀螺的漂移目的已到達(dá)0.001/hr，許多產(chǎn)品曾經(jīng)投入民用飛機(jī)和汽車工業(yè)。未來(lái)光纖陀螺在工業(yè)領(lǐng)域運(yùn)用還有更寬廣的天地。 圖16是日本Mitsubishi Precision公司和空間及宇航所為日本M-V火箭系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的慣導(dǎo)系統(tǒng)。 4、工業(yè)工程類傳感器 傳統(tǒng)的工業(yè)工程類傳感器包括運(yùn)用光纖的電光和磁光效應(yīng)進(jìn)展丈量的電力工業(yè)用大電壓、電流傳感器。圖

15、17為加拿大BC水電站所安裝NXVCT的照片。 利用光纖的彈光效應(yīng)和FBG器件的應(yīng)力傳感器已被廣泛運(yùn)用于應(yīng)力監(jiān)測(cè)中。圖18中為法國(guó)Alstom 公司的鐵路部 Transport S.A.指點(diǎn)研制的一種安裝了FBG的智能型新型復(fù)合資料的轉(zhuǎn)向架10 。 在許多特殊場(chǎng)所核工業(yè)、化工和石油鉆探中都運(yùn)用了監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)。圖19是安裝了嵌入式FBG溫度傳感器陣列的發(fā)電機(jī)定子。光纖傳感器系統(tǒng)正日益走向成熟，并逐漸融入日常的消費(fèi)和生活之中。更多的運(yùn)用和研討成果可參考OFS年會(huì)論文集10，以及SPIE的相關(guān)專題會(huì)議論文。四、新型光纖資料與器件 光纖通訊的迅猛開(kāi)展帶動(dòng)新型光纖器件和資料的不斷涌現(xiàn)，為光纖傳感系統(tǒng)的開(kāi)

16、發(fā)提供了必要的根底。新型資料光纖和新型構(gòu)造光纖前景看好。 以SiO2資料為主的光纖，任務(wù)在0.8m1.6m的近紅外波段，目前所能到達(dá)的最低實(shí)際損耗在1550nm波優(yōu)點(diǎn)為0.16dBkm，已接近石英光纖實(shí)際上的最低損耗極限，成為滿足超寬帶寬、超低損耗、高碼速通訊需求新型基體資料的光纖。 氟化物玻璃光纖是當(dāng)前研討最多的超低損耗遠(yuǎn)紅外光纖，其最低損耗在2.5m附近為110-3dBkm，無(wú)中繼間隔 可到達(dá)1105km以上。硫化物玻璃光纖具有較寬的紅外透明區(qū)域1.2m 12m，有利于多信道復(fù)用，其溫度對(duì)損耗的影響較小，其損耗程度在6m波優(yōu)點(diǎn)為0.2dBkm，是非常有出路的光纖。而且，硫化物玻璃光纖具有很

17、大的非線性系數(shù)，用它制造的非線性器件，可以有效地提高光開(kāi)關(guān)的速率，使開(kāi)關(guān)速率到達(dá)數(shù)百Gbs以上。重金屬氧化物玻璃光纖具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械物理性能，假設(shè)把鹵化物玻璃與重金屬氧化物玻璃的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，制呵斥性能優(yōu)良的鹵-重金屬氧化物玻璃光纖，將具有重要意義。 特殊的運(yùn)用環(huán)境對(duì)光纖有特殊的要求，石英光纖的纖芯和包層資料具有很好的耐熱性，耐熱溫度到達(dá)400500，所以光纖的運(yùn)用溫度取決于光纖的涂覆資料。目前，梯型硅氧烷聚合物L(fēng)SP涂層的熱固化溫度達(dá)400以上，600時(shí)的光傳輸性能和機(jī)械性能依然很好。采用冷的有機(jī)體在熱的光纖外表進(jìn)展非均勻成核熱化學(xué)反響HNTD，然后在光纖外表進(jìn)展裂解生成碳黑，即碳

18、涂覆光纖。碳涂覆光纖的外表致密性好，具有極低的分散系數(shù)，而且可以消除光纖外表的微裂紋，處理了光纖的“疲勞問(wèn)題。 另一方面，光纖的構(gòu)造決議了光纖的傳輸性能，合理的折射率分布可以減少光的衰減和色散的產(chǎn)生，并添加光能量的傳輸。隨著光纖通訊系統(tǒng)的迅速開(kāi)展，出現(xiàn)了DFF色散平坦光纖。為了DWDM系統(tǒng)可以在盡能夠?qū)挼目捎貌ǘ紊线M(jìn)展波分復(fù)用，各個(gè)公司都努力于消除OH-吸收峰，已開(kāi)發(fā)出的“無(wú)水峰光纖，可實(shí)現(xiàn)0nm1450nm第五窗口的實(shí)踐運(yùn)用。美國(guó)Lucent公司開(kāi)發(fā)出的All Wave光纖，抑制了OH-的諧波吸收，從而實(shí)現(xiàn)了1280nm1625nm范圍內(nèi)完好波段的利用。為了順應(yīng)相關(guān)通訊系統(tǒng)的要求，曾經(jīng)研制出了“熊貓型、“蝴蝶結(jié)型和“扁平型的高雙折射保偏光纖，另外具有“邊坑型的單模單偏振保偏光纖，以及正在研討中的蜂窩型波導(dǎo)光纖9、液晶光纖見(jiàn)圖20等等，這