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光纤传感的原理及发展前景

日期:2012年8月1日 16:52

三十多年以来,光纤传感器充分利用其自身独特优势不断加大科学研究、技术开发和商业应用,已在全球范围内取得巨大成功。
     
     一、传感器的概念及优点

  (1)传感器的概念

  传感器是把一个物理量、电气量或其他量的绝对值或其变化转换成一个可以通过观察或由仪器输出信号的器件、设备或系统。可以感应到的参量有如:温度、压力、应变、速度、转动、光和辐射、电、磁、声、气体和化学品、周围物体等。

  几乎材料所有的物理特性,能在某些激励下产生变化,都可用于构成传感器。广泛使用的传感器包括:电阻、电感、电容、半导体、光电、压电、机械和MEMS等。

  (2)光纤传感器的优点

  1 电气绝缘;

  2 抗电磁干扰;

  3 没有对电力的需要;

  4 固有安全性;

  5 能用于许多特殊工作环境;

  6 能进行远程和多通道复用操作;

  7 体积小,重量轻;

  8 集成遥测,光纤本身是数据传输通道;

  9 宽的带宽;

  10 高灵敏度。

 

     二、光纤传感器原理元件及系统

  1.光纤传感器基本类型

  光纤传感器有两个基本类型:

  (a)本征(功能)型光纤传感器,感应信号由光纤本身产生;

  (b)非本征(导光 )型光纤传感器,需要外加传感器提供感应信号,光纤用作光信号传输。

         2.光纤传感器的类型

  (a)本征(功能)型光纤传感器

  光纤陀螺仪、光纤光栅、光纤干涉传感器、微弯光纤传感器、黑体传感器。

  (b)非本征(导光 )型传感器

  光时域反射计、光频域反射计、 法布里-珀罗 干涉仪、全内反射传感器、光栅传感器、荧光传感器、吸收传感器、多点式传感器WDM系统。

 

  三、光纤传感器应用

  (1)光纤传感器的分类

  光纤传感器按其响应的环境参量分类:

  温度光纤传感器、压力光纤传感器、声学光纤传感器(如水听 器)、应变光纤传感器、位移光纤传感器、旋转光纤传感器(如光纤陀螺)、振动光纤传感器电,磁光纤传感器(如电流光纤互感器)、气体和化学光纤传感器、生物和医学光纤传感器。

  (2)光纤传感器的应用

  1 石油和天然气:油藏监测井下的P / T传感、地震阵列、能源工业、发电厂、锅炉及蒸汽涡轮机、电力电缆、涡轮机运输、炼油厂;

  2 航空航天:喷气发动机、火箭推进系统、机身;

  3 民用基础建设:桥梁、大坝、道路、隧道、滑坡;

  4 交通运输:铁路监控、运动中的重量、运输安全;

  5 生物医学:医用温度压力、颅内压测量、微创手术、一次性探头。

 

  四、光纤布拉格光栅(FBG)

  采用位相掩模制造FBG

  纤芯是共掺硼和本征光敏的,无需载氢。纤芯的尺寸是与通信光纤兼容的。采用此光纤,1nm宽和15mm长的透射光栅可以在几分钟内被准分子激光脉冲(10Hz,0.5 J/cm2,248nm)写入。

  现在我们处在信息时代,建设智能社会需要先进的传感系统!光纤传感是传感器家族中一员新秀,前程尚难以估量。当前光纤传感器市场是零散的,但多数应用具有共同的技术基础,许多器件和系统已进入商用阶段,市场份额逐年扩大。市场已从2009年的衰退开始复苏,普遍的共识是年增长率将在10%至25%的范围内。

推动光纤传感器增长的主要因素为:

  1 对石油和天然气日益增长的需求;

  2 迫切探求替代能源;

  3 建立高度周边和国土安全;

  4 智能基础设施;

  5 政府支援拨款。

  发展光纤传感器的挑战因素有:

  1 非光子技术竞争(MEMS,无线等);

  2 尽快对产品标准的制定;

  3 成本因子。

 

  五、全球宏观经济环境

  与传统的机电和电子传感器相比,光纤传感器有着一系列独特的优点。尤其是分布式光纤传感器在大型建筑工程、桥梁隧道、铁道公路、油气管道、结构健康管理(监控)(SHM)等方面的应用几乎是独一无二的,是其他类型传感器无法比拟的。从目前光纤传感器已取得的成就来看,未来光纤传感器应用规模恐怕尚无法估量。

  众所周知,光纤通信在不长的时间内,几乎完全战胜了传统的铜线通信。其实对光纤来说,目前只是开发和利用了石英光纤优良的传光特性。而光纤传感器不仅利用光纤的传光特性,更利用了光纤对环境参数的敏感特性。其实,光纤还有许多特性正在利用或尚未利用,例如光纤放大器、光纤激光器、光纤功率传输、光纤信号处理。

  毫无疑问,完全可以相信继光纤通信后,光纤传感器将是光纤技术领域又一新兴产业正在迅速崛起,并且相信未来将会有更多的光纤新兴产业出土、开花、结果。

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