光纤传感技术

1、Modern Sensor Technique and Applications光纤传感器技术摘要：本文介绍了光纤传感器的国内外现状以及与传统传感器相比独有的优势，阐明了传感型光纤传感器和传光型光纤传感器的工作原理，讲述了新型光纤传感器的发展状况，主要包括光纤光栅、干涉型传感器和光子晶体光纤传感器，列举了光纤传感器在石油化工、电力、医学、土木工程、军事领域、环境监控和飞机飞行控制系统中的应用，详细描述了光纤传感器在医学领域的应用，并阐明了光纤传感器在未来的发展趋势。关键词：传感型、传光型、新型光纤传感器、医学应用Abstract: This paper introduces thepresen

2、t situation offiber opticsensorsAt home and abroadandits unique advantagescompared withconventional sensors. The operation ofthe sensingopticalfiber sensorandtransmission-type optical fiber sensor is explained.The development ofnewfiber opticsensors is described, including grating,interferometricsen

3、sors, andphotonic crystalfiber optic sensors.The application of fiber optic sensorsare listedin the petrochemical, electricity, medicine, civil and military fields, environmental monitoring andaircraft flight controlsystem.A detailed description oftheoptical fiber sensorin the medical fieldapplicati

4、on is shown.Thedevelopmenttrend of optical fiber sensorin the future is illustrated.Keywords: sensortype,lighttransmissiontype, the new fiber-opticsensors,medical applications目录一、引言1二、光纤传感器的基本原理22.1 传感型光纤传感器原理32.2 传光型光纤传感器原理4三、新型光纤传感器的发展概况53.1 光纤光栅53.2 干涉型传感器63.3 光子晶体光纤传感器8四、光纤传感器的应用94.1 在石油化工系统中的应用

5、94.2 在电力系统中的应用104.3 在医学方面的应用104.4 在土木工程中的应用144.5 在军事领域中的应用144.6 在环境监控中的应用144.7 在飞机飞行控制系统中的应用15五、光纤传感器的发展趋势15六、参考文献15一、 引言光纤传感器的历史可追溯到上世纪70年代中期，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性,且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础,无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来，这就是光纤传感器。光纤传感器技术始于1977年，是伴随着光纤技术和光通信技术迅猛发展起来的一种新型传感技术。近年来，光纤传感在机械、电子仪器仪表、航天航空、石油、化工、食品安全等领

6、域的生产过程自动控制、在线检测、故障诊断等方面，得到了卓有成效的发展和推广。2011年到2015年之间，全球光纤传感器市场消费规模以年平均20.5%成长，2011年规模为13亿4000万美元，预计到2016年，将扩大为33亿9000万美元。同时，这5年间，中国成为亚太地区最主要的光纤传感产品应用市场。2011年交通及石化行业的光纤火灾报警产品市场规模在2亿元水平，电力设备光纤传感温度检测及应用规模达到2亿元水平，光纤传感环境监测、光纤陀螺产品市场达到2亿元水平，光纤周界市场在0.5亿元水平。美国光纤传感器研究起步早，光纤传感技术在世界上最为先进。经过30多年的发展，中国光纤传感市场产业化格局基

7、本形成，从最初单一的技术产品推广逐步向成熟的整体解决方案迈进，从产品种类、工艺质量及工程实施服务等多方面得以逐步完善，行业标准及规范逐渐形成。主要研究领域包括：新型敏感材料研究；分布式光纤传感系统开发；新型专用光电子器件开发；适合于易燃易爆、强磁场干扰、高辐射、高温高压场所的光纤传感器开发；大型结构工程长期安全监测与健康诊断的光纤传感器及其传感系统开发；光纤光栅传感器产业技术研究；光纤智能材料与结构及其应用研究；光纤陀螺的工程应用研究；微光机电系统；准分子激光微加工技术研究；特种光纤传感器件及其他类型光纤传感器的开发。光纤传感器与传统的传感器相比主要差别在于：传统的传感器是以应变-电量为基础，

8、以电信号为转换及传输的载体，用导线传输电信号，因而使用时受到环境的限制，如环境湿度太大可能引起短路，特别是在高温和易燃、易爆环境中容易引起事故等；而光纤传感器是以光信号为变换和传输的载体，利用光纤传输信号，它具有许多独特的优点：(1) 不受电磁干扰，当光信号在光纤中传输时，它不会与电磁场产生作用，因而，信息在传输过程中抗电磁干扰能力强，使其特别适合于电力系统；(2) 绝缘性能高，现在普遍使用的光纤是由石英玻璃制成的，是一种不导电的非金属材料，其外层的涂覆材料硅胶也不导电，很方便测量带高压电设备的各种参数；(3) 防爆性能好，耐腐蚀。由于光纤内部传输的是能量很小的光信息，不会产生火花、高温、漏电

9、等不安全因素，因此，光纤传感器的安全性能好，适用于有强腐蚀性对象的参数测量；(4) 导光性能好，对传输距离较短的光纤传感器来说，其传输损耗可忽略不计，目前利用这一特性制成了锅炉火焰监测器监视火焰的状态；(5) 可绕，光纤细而柔软，可制成非常小巧的光纤传感器，用于测量特殊对象及场合的参数；(6) 光纤传感器的载体是光，其频率数量级为1014Hz，从而使传感器频带范围很宽，动态范围很大；(7) 便于复用，便于成网，有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络；(8) 光纤材料简单，便于获得，所以成本低。光纤传感器的优越性使其在军事、国防、航天航空、工矿企业、能量环保、工业控制、医药卫生、计量测试

10、、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。目前。世界上已有光纤传感器上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。而今，光纤传感器正处于发展阶段，人们正在探索新的方法和新的结构。二、 光纤传感器的基本原理光纤传感器的基本原理是光源通过光发送器发出后，以光纤为传输载体传送给敏感元件，在这一过程中，被测量对光的某一性质进行调制，被调制后的光接收光 纤然后耦合到光接收器，最终光信号被转变为电信号，电信号再经过信号处理系统处理后变成所需要的被测量。光发送器、光接收器、敏感元件、光导纤维及信号处理系统是构成光纤传感器 的

11、几个重要组成部分。有些光纤传感器中，光无源器件也作为光线传感器的重要组 成部分。光无源器件按照功能上归类可以分为光衰减器件、光功率分配器件、光连接器件、光隔离器件、光开关器件等。光无源器件在工作过程中不需要任何外部元器件的帮助，依靠自身的性能就可以独立完成某种光学功能。光纤传感技术分为传光型光纤传感技术和传感型光纤传感技术，光纤传感技术的核心是光纤传感器，相应的光纤传感器也分为传感型光纤传感器和传光型光纤传感器。2.1 传感型光纤传感器原理传感型光纤传感器也称功能型光纤传感器,光纤既传光又传感而且还充当敏感元件。对于传感型光纤传感器而言,当光在光纤中传播时,被测对象或外界因素作用在光纤上,会使

12、光纤中传输光的振幅、相位、波长和偏振态等发生改变,此过程为光波的调制,把调制后的光波经光纤传输到光电探测器解调后转换成电信号输出。传感型光纤传感器的原理比传光型光纤传感器的原理复杂。传感型光纤传感器中应用最多的是相位调制型光纤传感器或干涉型光纤传感器,其原理是外界因素使得光纤中传输光波的相位发生变化进而改变出射光(干涉光)的强度,以此达到测量目的。=2/0nl，(1)式中,0为光在真空中的波长,n为光纤纤芯的折射率,l为光在光纤中传播的距离。一般通过外界因素可改变n和l,进而可改变相位,而相位和出射光光强I密切相关,从而改变出射光光强。常用的干涉型光纤传感器有Michelsion干涉式光纤传感

13、器、Mach-Zehnder干涉式光纤传感器、Fabry-Perot(F-P)干涉式光纤传感器、Sagnac干涉式光纤传感器和Fizeau干涉式光纤传感器等。干涉型光纤传感器是光纤传感与测量技术高精度测量中的最佳选择。2.2 传光型光纤传感器原理传光型光纤传感器也称非功能型光纤传感器或强度调制型光纤传感器,光纤主要起传输光波的作用,在光纤中间或端部加敏感元件,其主要由光源、光纤、光调制器、敏感元件、光电探测器和检测电路等组成。传光型光纤传感器主要是强度调制型光纤传感器,其基本原理是待测物理量引起光纤中传输光的光强I变化,通过检测光强I的变化来实现对待测物理量的测量。强度调制的特点是简单、可靠、

14、经济。强度调制方式很多,主要有反射式强度调制和透射式强度调制。2.2.1反射式强度调制型光纤传感器图2.1是反射式强度调制原理示意图。图2.1反射式强度调制原理图设输入光纤输出的光强为I0,则输出光纤接收的光强I为Id=R0I01+(d/r)3/2tgc2exp-R2r21+(d/r)3/2tgc2 (2)式中, r为输入光纤纤芯半径,d是移动反射器的反射面到输入(输出)光纤端面的距离,c是输入光纤的最大出射角, R0为移动反射器的反射率, 为光源种类及光源与光纤耦合情况有关的调制参数。移动反射器改变d,就可以改变输出光纤接收光强I的大小。2.2.2透射式强度调制型光纤传感器图2.2是透射式强

15、度调制原理示意图。图2.2透射式强度调制原理图图2.2中,通过移动接收光纤方向改变d与y来改变发送光纤与接收光纤端面重合面积的大小,就可以改变接收光纤接收光强I的大小。Iy，d=I02(d)exp-y22(d), (3)d=r1+(d/r)3/2tgc, (4)式中,I0为光源耦合入发送光纤中的光强,d为发送光纤端面至接收光纤端面间的距离, 为光纤折射率分布的相关参数,阶跃型光纤= 1。三、 新型光纤传感器的发展概况3.1 光纤光栅光纤光栅是光纤中具有折射率周期性调制的光无源器件，它对在光纤中传输的特定波长的光进行正向或反向耦合，从而可以作为一个滤波器或反射镜。1978年，加拿大光通信研究中心

16、的K.O.Hill和他的同事偶然的发现了光纤光敏性，并由此形成了第一只光纤光栅（Hill光栅）。这种光纤光栅具有波长选择性好、反射率高、带宽窄等优点，其制作方法称为驻波法（也称内部写入法）。但驻波法刻写的光栅波长由刻写激光波长决定，具有一定的局限性。1989年，G.Meltz等人利用紫外光（244nm）的双光束干涉条纹对光纤进行侧面曝光，制作出一根反射波长位于可见光范围的布拉格光栅。相比于驻波法，这种双光束干涉写入技术可以通过改变两束光的夹角来控制光栅的共振波长。但是这种方法易受环境因素的影响，在实际应用中有诸多不便。1993年，K.O.Hill等人又提出了相位掩膜写入技术，通过紫外光垂直照射

17、相位掩膜形成的1级衍射条纹对光纤进行侧面曝光，从而写入光栅这种技术大大降低了对写入激光的要求，同时受环境因素影响小，制作重复性高，从而被广泛的使用。1996年，Vengsarkar等人首次利用相位掩膜法制作了周期为几百微米的能够实现同向模式耦合的长周期光栅，该光栅可以把纤芯基模耦合到包层模中去，并形成相应的损耗，是理想的带阻传输型滤波器件。图3.1光纤光栅耦合模式及其反射、透射光谱经过三十多年的发展，光纤光栅在技术上已趋于成熟，并已经逐渐成为光纤传感领域不可或缺的重要器件。光纤光栅的传感机理主要有四种：温度引起的形变和热光效应、应力引起的形变和弹光效应、磁场引起的法拉第效应、以及外界折射率变化

18、引起的有效折射率变化。基于以上机理，光纤光栅传感器可以进行温度、应力、压强、电磁场、振动、倾斜、加速度、曲率、超声波、扭矩、浓度等物理量的传感测量。3.2 干涉型传感器自1881年，美国物理学家Michelson发明Michelson干涉仪以来，激光干涉传感器技术得到了很大的发展。随后又出现了Mach-Zehnder干涉仪，Sagnac干涉仪，Fabry-Peort干涉仪等。这些干涉仪传感器在工程应用，环境监测，生物医学方面得到了广泛的应用。3.2.1 Michelson干涉仪光纤Michelson干涉仪的结构如图3.2所示，光源发出的光经透镜汇聚到光纤耦合器DC,并将光分为两路，一路为参考光

19、，入射到反射镜M1，另一路为测量光，入射到反射镜M2，两路光被反射回到耦合器，干涉信号由探测器接收，当反射镜M2因外界因素变化而发生移动，探测器探测到的干涉信号发生变化从而传感外界参量。基于端面反射、双芯光纤、光纤拉锥、长周期光栅的光纤干涉仪已经被广泛使用。3.2.2Mach-Zehnder干涉仪光纤Mach-Zehnder干涉仪结构如图3.2所示。光源发出的光经过耦合器DC1，光束一分为二，一臂为信号臂，另一臂为参考臂，经耦合器DC2，干涉信号由探测器接收。基于上述原理，激光福射、光纤拉锥、光栅刻写技术已经被用来制作高质量的Mach-Zehnder干涉仪。3.2.3 Sagnac干涉仪光纤S

20、agnac干涉仪结构如图3.2所示，它是基于Sagnac效应构成的一种干涉仪。入射光经过3-dB耦合器分成两束，分别沿顺时针和逆时针方向传播，最后在3-dB耦合器处会合并发生干涉。围绕着垂直于环面的轴转动将引起两束光之间的光程差变化，因此由改变的干涉信号可以解调出外界参量。基于上述原理，Sagnac干涉仪可以用来测量温度、振动、拉力、弯曲等参量。3.2.4 Fabry-Peort干涉仪Fabry-Peort干涉仪结构如图3.2所示，它是由两端面具有高反射膜的一段光纤构成，光在高反膜间来回反射，经过不同反射次数的多光束发生干涉从而形成干涉信号。此高反射膜可以直接镇在光纤端面上，也可以把镇在基片上

21、的高反射膜枯贴在光纤端面上，或者直接用光纤端面作为反射端面。光纤光栅刻写，光纤端面镀膜，聚焦离子束刻蚀等技术可以用来形成Fabry-Peort干涉仪的高反膜。图3.2 各种光纤干涉仪示意图3.3 光子晶体光纤传感器1996年，Russell等人第一次报道了光子晶体光纤(PCF)，PCFs是一种包层由周期排列的空气孔组成的新型光纤，如图3.3所示。其设计灵活的特点，使得PCFs直是光纤传感领域的研究热点之一。3.3.1光纤光栅传感器1999年，Eggleton等人利用光纤的光敏特性，成功的在掺锗光子晶体光纤芯层写入了均匀周期的光纤光栅布拉格光栅和长周期光栅。2003年，Groothoff等人利用

22、相位掩膜法，在没有掺杂的纯石英光子晶体光纤中制作出布拉格光栅。光子晶体光纤光栅传感器可以用来测量折射率、气体浓度、DNA、拉力等。3.3.2 干涉型传感器干涉型光纤传感器基于传统的光学干涉原理，常用的有Mach-Zehnder干涉仪、Sagnac干涉仪、Fabry-Peort干涉仪等结构。利用光纤塌陷现象，可以制作各种Mach-Zehnder干涉仪。新型的保偏光纤可以用来形成Sagnac光纤干涉仪用于弯曲、拉力、压强等测量。Hollow-core光子晶体光纤可以用来形成Fabry-Peort干涉仪。图3.3 典型光子晶体光纤截面图四、 光纤传感器的应用4.1在石油化工系统中的应用石油化工系统的

23、工作环境具有高温、高压、化学腐蚀强、电磁干扰强等特点，一般的传感器在这种环境下很难发挥其作用，而光纤传感器所具有的体积小、质量轻、容易弯曲、抗电磁干扰、抗辐射等特点就决定了其能够在恶劣环境下使用，因此，光纤传 感器可以应用到石油化工系统中进行油井相关参数的测量，不断促进油气、石油等领域的发展。此外，光纤传感器还勘探钻井方面具有得天独厚的优势，这主要是由于其具有高温抵抗能力强、感应能力强、需求空间小等特点决定的。4.2 在电力系统中的应用电力系统具有网络分布广、分布点多、结构复杂、精确度高等特点，将光线传感器应用到其中能够确保电力系统的正常运行。第一，针对电力系统分布广、分布点多的特点，光纤传感

24、器能够对其分别进行检测，且其所具备的灵敏度高的特点使光纤传感器在突发事件下及时作出相应反应，能够避免事故的发生；第二，基于光纤传感器制作的电功率传感器，能够替代电磁测量在电力系统中的应用，并且能够 弥补传统电磁测量的不足。4.3 在医学方面的应用非功能型光纤传感器在医学方面应用的特别广泛。这类传感器具有质轻柔软、 体积小、抗干扰能力强、绝缘能力强等特点，加之光纤传感器的测量精度高，使之在医学方面主要由以下几个方面的应用：第一，测量pH值；第二，测量温度；第三，测量压力；第四，传输医用图像；第五，测量血流速度。4.3.1 pH值的测定用来测定活体组织和血液值pH光纤光谱传感器示意图，如图 4.1

25、 所示。其工作原理是利用发射光、透射光的强度随波长的分布光谱来进行测量。这种传感器将两根光纤插入可透过离子的纤维素膜盒中，膜盒内装有试剂，当把针头插入组织或血管后，体液渗入试剂，导致试剂吸收某种波长的光，用光谱分析仪测出此种变化，即可求得血液或组织的pH值。图4.1 测定pH值的光纤光谱仪4.3.2 温度测量目前国内外用微波加温热疗新技术治疗癌症已取得了明显的疗效。但微波加温治疗癌症的温度难以控制，温度过高会杀死人体的正常细胞，过低则达不到治疗的目的，还会使癌细胞进一步扩散。 微波加温治疗癌症的有效温度为42.545，在这个温度内，能杀死癌细胞，因此需要对这一温度进行监测，光纤温度传感器能实现

26、这个作用。其系统工作原理如图4.2所示。LD作为输入光源，输入光功率P为1mW，工作波长为850nm。为了防止背景光干扰，光源采用调制光源。为了产生足够多的高次模，调制后的光需经过一个扰模器。从图4.2可知光由1端进入方向耦合器，然后分为两部分，一部分由3端进入探头，从探头返回的光可由2端探测，作为参考用；而另一部分作为参考光，由4端探测。利用参考光的目的是消除背景光引起的测量误差。利用窄带滤波进一光干扰及高低频噪声。 探头部分如图4.3所示。图中n1为光纤纤芯折射率，n2为光纤包层折射率，n3为感温材料的折射率，且n1n2n3。其测温工作原理是将探头设计成在辐射模状态下工作,辐射能量的多少与

27、折射率n3的数值有关，n3的数值与温度有关，当温度上升时，n3下降,导波模能量增加，辐射能量变小，反之导波模能量减小,辐射能量增加。n3的设计必须精确，使探头处于最优工作状态。但由于没有折射率为n3的感温材料可供直接选用，必须用两种已知折射率的材料调配成满足要求的n3，因为光纤传感器抗电磁辐射干扰和射频干扰，所以将它用于超热治疗具有独特优点。目前正在研制另一种超热治疗的光纤导尿管。它是一种相位调制装置，一根单膜光纤可以携带5个温度传感器，温度分辨率为 0.01。现已开发的一种温度传感器是利用LiTaO3晶体双折射特性的热变化现象而制成温度敏感的、具有可变反射率的反射镜。当前用于临床测量的光纤温

28、度传感器大多处于探索阶段，但它的需要量极大，所以这一方面的研究和开发一定会活跃起来。图4.2 光纤温度传感器系统工作原理图4.3 探头的内部结构及材料折射率分布4.3.3 压力测量目前临床上应用的压力传感器主要用来测量血管内的血压、颅内压、心内压、膀胱和尿道压力等。 用来测量血压的压力传感器示意见图4.4，其中对压力敏感的部分是在探针导管末端侧壁上的一块防水薄膜，一面带有悬臂的微型反射镜与薄膜相连，反射镜对面是一束光纤，用来传递入射光到反射镜，同时也将反射光传送出来。当薄膜上有压力作用时，薄膜发生形变且能带动悬臂使反射镜角度发生改变，从光纤传来的光束照射到反光镜上，再反射到光纤的端点。由于反射

29、光的方向随反射镜角度的变化而改变，因此光纤接收到的反射光的强度也随之变化。这一变化通过光纤传到另一端的光电探测器变成电信号，这样通过电压的变化便可知探针处的压力大小。图4.4 光纤体压计探针4.3.4 图像传输医疗上的图像传输是传输型光纤传感器应用中很有特色的一部分。只需将许多光纤组成光纤束，就可以做成能有效地使图像空间量子化的传感器。自从光导纤维引入到内窥镜以后，大大扩大了内窥镜的应用范围。照明用的光通过光纤照射到被测体上，反射光通过接收光纤将信号输出，已产生了各种内窥镜使得检查人体的各个部位几乎都是可行的。这些内窥镜充分发挥了光导纤维柔软、自由度大、传输图象失真小、直径细等优点，操作中不会

30、引起病人的痛苦与不适。光纤内窥镜不仅用于诊断，也正进入治疗领域中，例如用于做息肉切除手术等。 光纤血管镜已应用于人类的心导管检查中。在进行激光血管成形术时，血管镜可提供很多重要的信息，用以引导激光辐射的方向，选择激光的能量和持续时间，并可了解在成形术后的治疗效果。4.3.5 血流速度的测量多普勒型光纤速度传感器测量皮下组织血流速度的示意见图4.5。此装置利用了光纤的端面反射现象，测量系统结构简单。发光频率为f的激光经透镜，光纤被送到表皮组织。对于不动的组织，例如血管壁，所反射的光不产生频移；而对于皮层毛细血管里流速为v的红细胞，反射光要产生频移，其频率变化为f；发生频移的反射光强度与红细胞的浓

31、度成比例，频率的变化值可与红细胞的运动速度成正比。发射光经光纤收集后，先在光检测器上进行混频，然后进人信号处理仪，从而得到红细胞的运动速度V和浓度。图4.5 测量血流速度的多普勒速度传感器4.4 在土木工程中的应用现阶段，我国土木工程面临的最重要最难解决的问题就是重大安全事故问题， 安全事故会造成人员伤亡和经济损失，是长时期以来一直难以攻克的难题。而光纤传感器的出现将很好的解决这一难题，这主要是因为光纤传感器的测量精度高、测量距离远，能够满足土木工程对测量的要求，现阶段它在土木工程中主要应用在以下几个方面：第一，对隧道的监测；第二，对桥梁的监测；第三，对边坡的监测。4.5在军事领域中的应用一方面，光纤传感器能够用于军事探测领域，以光纤声呐阵的形式探测敌方的潜艇，尽管现阶段光纤声呐阵还处于试验阶段，但是在不久的将来必将成为现代军事的重要 测和定位方式；另一方面，光纤传感器还能够用于导弹的制造中，以光纤陀螺仪的形式进行导弹姿态的测量，在制造导弹、控制导弹和追踪目标的过程中发挥着不可替代的作用，现阶段，光纤陀螺仪已经在军事领域中投入使用。4.6 在环境监控中的应用使用光纤传感器能够实现对水和大气进行持续、远程的监控，它不仅操作方便而且监控的结果较为真实可靠 。在水质监测方便，基于光纤传感器的多种传感器如光纤