光纖傳感器的應(yīng)用及發(fā)展

光纖傳感器的應(yīng)用及發(fā)展光纖傳感器的應(yīng)用及發(fā)展作者：李曉云學(xué)號(hào)：1050730029專業(yè)：10應(yīng)用物理學(xué)摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了光纖傳感器的特點(diǎn)，綜述了光纖傳感器的發(fā)展以及近期國(guó)際上光纖傳感器的研究和應(yīng)用情況，最后描述了其前景和發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵字：光纖傳感器，光纖，參量的變化，信號(hào)檢測(cè)，測(cè)量，光纖陀螺儀，發(fā)展前景引

言光纖傳感器的歷史可追溯到上世紀(jì)70年代。那時(shí)，人們開始意識(shí)到光纖不僅具有傳光特性，且其本身就可以構(gòu)成一種新的直接交換信息的基礎(chǔ)，無需任何中間級(jí)就能把待測(cè)的量與光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來。1977年,美國(guó)海軍研究所開始執(zhí)行由查爾斯?M?戴維斯博士主持的Foss(光纖傳感器系統(tǒng))計(jì)劃，這被認(rèn)為是光纖傳感器問世的日子。從這以后,光纖傳感器在世界的許多實(shí)驗(yàn)室里出現(xiàn)。由于其具有常規(guī)傳感器所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)和廣闊的發(fā)展前景，很多國(guó)家不遺余力地加大對(duì)光纖傳感器的研究力度，涌現(xiàn)出許多成果。但它仍存在諸如價(jià)格昂貴、技術(shù)不夠成熟等瓶頸，這使得它在工程上的應(yīng)用較少。隨著新方法、新工藝不斷被引入，大量低價(jià)位高性能光纖傳感器問世，而光纖與其他學(xué)科理論相結(jié)合不僅使光纖傳感器在信號(hào)檢測(cè)精度、傳輸減損、信號(hào)處理方面有了很大的提高，而且其應(yīng)用領(lǐng)域也越加廣闊。本文簡(jiǎn)要地介紹了光纖傳感器的特點(diǎn)，并對(duì)光纖傳感器近期的發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)要地概述。1.光纖傳感器的特點(diǎn)光纖傳感器由光源、傳輸光纖、傳感元件或調(diào)制區(qū)、光檢測(cè)等部分組成。眾所周知，描述光波特征的參量很多(如光強(qiáng)、波長(zhǎng)、振幅、相位、偏振態(tài)和模式分布等)，這些參量在光纖傳輸中都可能會(huì)受外界影響而發(fā)生改變。如當(dāng)溫度、壓力、加速度、電壓、電流、位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、彎曲、應(yīng)變以及化學(xué)量和生物化學(xué)量等對(duì)光路產(chǎn)生影響時(shí)，均會(huì)使這些參量發(fā)生相應(yīng)變化，光纖傳感器就是根據(jù)這些參量隨外界因素的變化關(guān)系來檢測(cè)各相應(yīng)物理量的大小。圖1是光纖傳感器的結(jié)構(gòu)框圖：類也日趨繁多，功能和質(zhì)量也不斷完善，從而越來越顯示出光纖傳感技術(shù)在醫(yī)學(xué)應(yīng)用的廣泛前景。（4）光纖傳感器在土木工程中的應(yīng)用土木工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命較長(zhǎng)，但是受負(fù)載的作用、疲勞效應(yīng)以及材料老化和腐蝕等不利因素的影響，整體結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生損傷積累和抗力衰減，致使其實(shí)際使用壽命縮短，甚至可能造成塌方等災(zāi)難事件。于是,人們希望土木結(jié)構(gòu)有一定的感知失事或示警的智能功能，能“感知”內(nèi)部狀態(tài)變化并做出必要的預(yù)警或進(jìn)行自我修復(fù)。光纖傳感器集信息傳輸和傳感于一體，易與網(wǎng)絡(luò)連接，再加上耐高溫，抗腐蝕，是充當(dāng)土木工程結(jié)構(gòu)的“神經(jīng)元”的理想元件。其應(yīng)用特點(diǎn)是在土木工程結(jié)構(gòu)中(或在其表面)埋入(或粘貼)光纖傳感器，通過分析光的傳輸特性，如光強(qiáng)、相位和波長(zhǎng)等，就可獲得光纖周圍材料的應(yīng)力、壓強(qiáng)、電磁場(chǎng)、密度、溫度等量的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與控制。光纖傳感器在土木工程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在：①監(jiān)控結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與變形；②對(duì)結(jié)構(gòu)開裂進(jìn)行檢測(cè)；③對(duì)大體積混凝土測(cè)溫；④組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，遙控監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)性能；⑤結(jié)構(gòu)安全預(yù)示報(bào)警。我國(guó)已將光纖傳感材料用于三峽大壩和部分橋梁的健康檢測(cè)和安全評(píng)定等，美國(guó)、日本、加拿大、英國(guó)等國(guó)家的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)也投入了大量精力研究光纖傳感器。（5）光纖傳感器在化學(xué)和生物學(xué)中的應(yīng)用

當(dāng)前，在國(guó)外研究得比較多的化學(xué)和生物光纖傳感器主要有光吸收型傳感器，熒光型傳感器和衰減波形光纖傳感器三種。光吸收型傳感器的工作原理是根據(jù)測(cè)定被測(cè)物對(duì)特定波長(zhǎng)的光產(chǎn)生吸收以及吸收的強(qiáng)度來確定被測(cè)物的種類和濃度大小。在海洋中，海水里所含的葉綠素和藻膽蛋白、黃色物質(zhì)、石油污染物、微量重金屬都有自己的特征吸收光譜，所以它們都能用這種光纖傳感器進(jìn)行測(cè)量。而且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小型、而且牢固，能夠直接在海洋現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度高。熒光型化學(xué)和生物傳感器是通過測(cè)量物質(zhì)的特征熒光光譜來鑒別被測(cè)物質(zhì)的種類和濃度。對(duì)熒光的檢測(cè)有兩種方式：測(cè)量熒光淬滅或熒光增強(qiáng)；測(cè)量熒光壽命或測(cè)量熒光能量轉(zhuǎn)換。衰減波形化學(xué)和生物光纖傳感器的測(cè)量機(jī)理是根據(jù)光纖的導(dǎo)播原理研制而成。具體做法是把處于測(cè)量場(chǎng)的光纖的一小段光纖外層包皮去掉，在這段裸露的光纖上涂抹一層折射率小于纖芯折射率的物質(zhì)作為敏感層。在測(cè)量被測(cè)物時(shí)，敏感層對(duì)測(cè)量物產(chǎn)生吸附，結(jié)果導(dǎo)致光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，利用被測(cè)物與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)變化的相關(guān)性達(dá)到檢測(cè)的目的。這種傳感器目前可用來測(cè)量石油污染物和水的pH值等。4.光纖傳感器的研究近況和發(fā)展趨勢(shì)光纖傳感器不斷在各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用的同時(shí)，光纖傳感器自身也在不斷完善和產(chǎn)品翻新。人們根據(jù)光纖的不同特點(diǎn)開發(fā)出各種類型的產(chǎn)品，如：以波長(zhǎng)調(diào)制為特點(diǎn)的光纖光柵傳感器；利用光學(xué)原理測(cè)量電流的光纖電流傳感器；對(duì)各種氣體的成分、濃度等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制的光纖氣敏傳感器；集傳統(tǒng)傳感器和光纖傳感器優(yōu)點(diǎn)于一身的混合型光纖傳感器；為擴(kuò)展光纖傳感器在高電壓系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)“無源”化而推出的微功耗太陽能光纖傳感器；能通過降低溫度干擾而獲得高壓力響應(yīng)的液晶光纖傳感器等等。光纖傳感器作為一種優(yōu)勢(shì)明顯的新型傳感器不但在高、精、