光纖傳感器技術(shù)的研究簡(jiǎn)史

歐陽(yáng)菲菲

摘? 要：光纖在工業(yè)和通信中的大量應(yīng)用使得光纖材料的成本和性能在近年來(lái)進(jìn)步非?？?。這使得光纖傳感器在旋轉(zhuǎn)、加速度、電磁場(chǎng)測(cè)量、溫度、壓力、聲學(xué)、振動(dòng)、位移和角度、應(yīng)力、濕度、黏滯性、化學(xué)測(cè)量等諸多應(yīng)用領(lǐng)域都具備了替代傳統(tǒng)傳感器的能力 [1]。本文將介紹光纖傳感器的幾種基本類(lèi)型以及它們的具體應(yīng)用，盡可能展現(xiàn)出光纖傳感器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：光纖傳感器;調(diào)制型光纖傳感器;分布式傳感器;傳感器的應(yīng)用

引言

光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代末發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感技術(shù)，是隨著實(shí)用光纖和光通信技術(shù)的發(fā)展而形成的。1970年，康寧公司研制出世界上第一種傳輸損耗為20dB/km的實(shí)用石英光纖。在隨后的十年里，以光纖為傳輸介質(zhì)的光纖通信從實(shí)驗(yàn)室發(fā)展階段迅速發(fā)展成為通信領(lǐng)域的一大產(chǎn)業(yè)。在光纖通信系統(tǒng)中，光纖容易受到溫度、壓力等環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致光強(qiáng)度、相位、頻率等光波參數(shù)的變化，對(duì)通信應(yīng)用造成危害。然而，它為信息的直接交換奠定了新的基礎(chǔ)，并推導(dǎo)出光纖傳感器的新技術(shù)。

光電子學(xué)和光纖通信的進(jìn)步帶來(lái)了許多新的產(chǎn)業(yè)的革命，光纖不僅可以作為一種傳輸介質(zhì)，同時(shí)也可以用來(lái)設(shè)計(jì)傳感系統(tǒng)。利用光纖作為傳感元件，或者通過(guò)光纖來(lái)和傳感元件聯(lián)系的技術(shù)都包含在光纖傳感器技術(shù)的范疇內(nèi)，光纖傳感器技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)是光纖技術(shù)中的一個(gè)重要分支。光纖質(zhì)量輕、體積小、電絕緣、容易組成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。這些都使它擁有了其它電子傳感器件不具備的優(yōu)勢(shì)。

光纖傳感技術(shù)的發(fā)展大致可分為三個(gè)主要階段[2]：第一階段是傳輸型光纖傳感器。20世紀(jì)70年代末，光纖作為信息交換的基礎(chǔ)，通過(guò)光纖器件將光纖中的光傳導(dǎo)與頻帶測(cè)量連接起來(lái)。第二階段是單模光纖調(diào)制技術(shù)。單模光纖的深入應(yīng)用形成了強(qiáng)度、相位、波長(zhǎng)、偏振、時(shí)分、頻率、光柵等光纖傳感技術(shù)。20世紀(jì)80年代中后期，光纖傳感器近100種，開(kāi)始投入實(shí)際應(yīng)用。第三階段，90年代中后期，光纖傳感技術(shù)逐漸形成了智能結(jié)構(gòu)、工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、自然生態(tài)和人居五大領(lǐng)域。

1.光纖傳感器的構(gòu)成及分類(lèi)

光纖傳感器由光源、入射光纖、輸出光纖、光調(diào)制器、光檢測(cè)器和解調(diào)器組成。其基本原理是通過(guò)入射光纖將光源的光送到調(diào)制區(qū)，并與調(diào)制區(qū)的外部測(cè)量參數(shù)相互作用，使光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏斜等光學(xué)特性正常，等）的光變?yōu)檎{(diào)制信號(hào)光，然后通過(guò)輸出光纖將其發(fā)送到光檢測(cè)器和解調(diào)器，獲得測(cè)量參數(shù)。根據(jù)傳感原理，光纖傳感器可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是光傳輸（非功能）傳感器，另一類(lèi)是傳感（功能）傳感器。在光纖傳感器中，光纖只是光的傳輸介質(zhì)，被測(cè)信號(hào)的傳感由其他敏感元件完成。在這種傳感器中，輸出光纖和入射光纖是不連續(xù)的，兩者之間的調(diào)制器是光譜變化或其它特性的敏感元件。在傳感式光纖傳感器中，光纖對(duì)被測(cè)信號(hào)和光信號(hào)的傳輸都很敏感。它結(jié)合了信號(hào)的“傳感”和“傳輸”，因此這種傳感器中的光纖是連續(xù)的。

由于光纖在這兩種傳感器中的作用不同，對(duì)光纖的要求也不同。在透光傳感器中，光纖只起到透光的作用。通信光纖甚至普通多模光纖的使用可以滿足要求，敏感元件可以采用優(yōu)質(zhì)材料靈活實(shí)現(xiàn)。因此，這種傳感器的靈敏度可以很高，但需要更多的光耦器件，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。傳感光纖傳感器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，一些耦合器件可以少用，但對(duì)光纖的要求較高，因此往往需要使用對(duì)被測(cè)信號(hào)敏感、傳輸特性好的專(zhuān)用光纖。目前，光纖傳感技術(shù)在實(shí)際中應(yīng)用較多，但隨著光纖制造技術(shù)的進(jìn)步，光纖傳感技術(shù)將得到廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)光在光纖中的調(diào)制原理，光纖傳感器可分為強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、波長(zhǎng)調(diào)制等。到目前為止，光纖傳感器可以測(cè)量70多種物理量。

2 光纖傳感器的應(yīng)用

光纖傳感器的應(yīng)用十分廣泛，因?yàn)樗?dú)特的物理光學(xué)性質(zhì)使光纖傳感器幾乎可以用來(lái)測(cè)量所有能夠想到的物理量。下面選取一些具體案例來(lái)進(jìn)行介紹。

2.1光學(xué)層析成像 [2][3][4]

光層析成像技術(shù)主要有光相干層析成像（Optical Coherence Tomography，OCT），光過(guò)程層析成像（Optical Process Tomography，OPT）光彌散層析成像（Diffuse Optical Tomography，DOT）等。其中 OCT 采用低相干干涉技術(shù)（白光干涉或?qū)捁庾V干涉）和共焦顯微鏡原理，對(duì)生物樣品內(nèi)部組織細(xì)微結(jié)構(gòu)成像的分辨能力達(dá)到微米量級(jí)。OCT 技術(shù)可以使臨床上實(shí)現(xiàn)對(duì)人體組織非接觸且無(wú)損傷的診斷和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。DOT 利用生物組織被近紅外光遠(yuǎn)陣列發(fā)出的光照射，經(jīng)過(guò)鏡面反射，多次散射和吸收后被光探測(cè)器陣列接收。OCT 和 DOT 技術(shù)在生物和臨床醫(yī)學(xué)方面都有廣闊應(yīng)用前景。OPT 的特點(diǎn)是光通過(guò)介質(zhì)時(shí)光強(qiáng)度的變化與光路上不同介質(zhì)的分布及介質(zhì)的衰減有關(guān)。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)在各個(gè)方向或位置有足夠多的投影數(shù)據(jù)時(shí)，可以利用一定的重建算法將被測(cè)信息用圖像的形勢(shì)變現(xiàn)出來(lái)。光纖體積小，安全性高，不受電磁干擾以及能夠進(jìn)行組成分布式測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)在這里就體現(xiàn)出來(lái)了。

2.2 光纖傳感器在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用

隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，它在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。分布式光纖傳感器可以測(cè)量混凝土結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)應(yīng)力，檢測(cè)大型結(jié)構(gòu)和橋梁的健康狀況，其中最重要的是將光纖傳感器作為一種新型的應(yīng)變傳感器。

該光纖傳感器可以附著在結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行測(cè)量，也可以嵌入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部物理量的測(cè)量。利用預(yù)埋式光纖傳感器，可以測(cè)量混凝土結(jié)構(gòu)在內(nèi)部損傷過(guò)程中的內(nèi)部應(yīng)變。根據(jù)荷載-應(yīng)變曲線的斜率，可以確定結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷的形成和擴(kuò)展方式。同時(shí)，分布式光纖溫度傳感器也可以應(yīng)用于建筑中。

2.3 其他

光纖傳感器在能源領(lǐng)域也有很多應(yīng)用。它可以做成電流傳感器，檢測(cè)傳輸電纜的負(fù)載。利用多元 FBG 分布式光柵，可以遠(yuǎn)距離的檢測(cè)在惡劣環(huán)境下的電纜的情況。光纖傳感器因?yàn)槠洳皇茈姶鸥蓴_，耐腐蝕，可以組成長(zhǎng)距離監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，在核電，風(fēng)能發(fā)電等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。此外光纖傳感器在航天器也有很多應(yīng)用。它可以用來(lái)檢測(cè)飛機(jī)及航天器的溫度，檢測(cè)機(jī)身和機(jī)翼各部位壓力，作為陀螺儀等。光纖傳感器還可以用在石油工業(yè)，它可以用來(lái)探測(cè)底下石油的流量，溫度。

3 小結(jié)

自從光纖發(fā)明以來(lái)，光電子技術(shù)和光纖技術(shù)在不斷地飛速發(fā)展。經(jīng)歷了二十多年的研發(fā)階段，光纖傳感技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用化階段，形成了光纖傳感器的一個(gè)新領(lǐng)域。不少光纖傳感器以其特有的有點(diǎn)，逐漸替代傳統(tǒng)的電子傳感器。利用光纖傳感器技術(shù)制造的系統(tǒng)可以把傳統(tǒng)電子儀表系統(tǒng)改造成更為安全可靠的光纖式儀表系統(tǒng)。

此外，隨著光子晶體、納米材料等領(lǐng)域的發(fā)展，新的原理不斷應(yīng)用到光纖傳感器技術(shù)中，光纖傳感器技術(shù)和這些新技術(shù)互相推動(dòng)著各自的發(fā)展。光纖傳感器具有很多優(yōu)點(diǎn)，如何把實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)發(fā)出的新型傳感器投入到實(shí)際應(yīng)用中，提高穩(wěn)定性并，降低光纖傳感器的使用成本仍然是新時(shí)代光纖傳感技術(shù)的重要課題。

參考文獻(xiàn)

[1]? Gholamzadeh B，Nabovati H. Fiber optic sensors[J]. World Academy of Science，Engineeringand Technology，2008，42（3）：335-340.

[2]? 李川 等 2012.光纖傳感技術(shù) 北京：科學(xué)出版社

[3]? 劉鐵根 江俊峰 等 2012.11 分立式光纖傳感技術(shù)與系統(tǒng) 北京：電子工業(yè)出版社