光纤传感器的今日发展概况

1、光纤传感感器的今今日的发发展概况况一、引言言 随着着密集波波分复用用DWDDM技术术、掺铒铒光纤放放大器EEDFAA技术和和光时分分复用OOTDRR技术的的发展和和成熟，光纤通通信技术术正向着着超高速速、大容容量通信信系统的的方向发发展，并并且逐步步向全光光网络演演进。在在光通信信迅猛发发展的带带动下，光纤传传感器作作为传感感器家族族中年轻轻的一员员，以其其在抗电电磁干扰扰、轻巧巧、灵敏敏度等方方面独一一无二的的优势，已迅速速成长为为年成交交额超过过10亿亿美金，并预计计将于220100年拥有有超过550亿美美金市场场的产业业。每年年由美国国光学工工程师学学会(OOSA)主办的的光纤传传感国际

2、际会议（OFSS）及时时报道着着光纤传传感领域域的最新新进展，并对光光纤传感感及其相相应技术术进行有有益的研研讨。 当前，世界上上光纤传传感领域域的发展展可分为为两大方方向：原原理性研研究与应应用开发发。随着着光纤技技术的日日趋成熟熟，对光光纤传感感器实用用化的开开发成为为整个领领域发展展的热点点和关键键。由于于光纤传传感技术术并未如如光纤通通信技术术那样迅迅速地获获得产业业化，许许多关键键技术仍仍然停留留在实验验室样机机阶段，距商业业化有一一定的距距离，因因此光纤纤传感技技术的原原理性研研究仍处处于相当当重要的的位置。由于很很多光纤纤传感器器的开发发是以取取代当前前已相当当成熟，可靠性性和成

3、本本已得到到公认，并已经经被广泛泛采用的的传统机机电传感感系统为为目的，所以尽尽管这些些光纤传传感器具具有如电电磁绝缘缘、高灵灵敏度、易复用用等诸多多优势，其市场场渗透所所面临的的困难和和挑战是是可想而而知的。而那些些具有前前所未有有全新功功能的光光纤传感感器则在在竞争中中占有明明显优势势，FBBG和其其它的光光栅类传传感器就就是一个个最好的的例证。当前的的原理性性研究热热点集中中于光纤纤光栅（FBGG和LPPG）型型传感器器和分布布式光纤纤传感系系统两大大板块。 FBBG型光光纤传感感器自发发明之日日起，已已走过了了原理性性研究和和实验论论证的百百家争鸣鸣阶段。目前成成熟的FFBG制制作工艺

4、艺已可形形成小批批量生产产能力，而研究究的焦点点也转向向解决高高精度应应用，完完善解调调和复用用技术，以及降降低成本本等几个个方向上上。另一一方面，由于光光纤传感感器具有有将传输输与传感感媒质合合而为一一的特性性，使得得沿布设设路径上上的光纤纤可全部部成为敏敏感元件件，因此此，分布布式传感感成为光光纤传感感器与生生俱来的的优点。 对于于光纤传传感技术术的应用用研究主主要有以以下四大大类：光光（纤）层析成成像技术术（OCCT，OOPT）、智能能材料（SMAART MATTERIIALSS）、光光纤陀螺螺与惯导导系统（IFOOG，IIMIUU ）和和常规工工业工程程传感器器。另外外，由于于光纤通通

5、信市场场需求的的带动以以及传感感技术的的特殊要要求，新新型器件件和特种种光纤的的研究成成果也层层出不穷穷。 目目前，我我国的光光纤传感感器研究究大多数数集中于于大专院院校和科科研单位位，仍然然未完成成由实验验室向产产品化的的过渡。其中，比较成成熟的技技术包括括：清华华大学光光纤传感感中心与与总后合合作研制制开发的的光纤油油罐液位位与温度度测量系系统，已已经安装装运行数数年；北北京航空空航天大大学与总总装合作作研制的的光纤陀陀螺系统统，目前前指标为为0.22/hhr ； 中国国计量学学院研制制的分布布式光纤纤传感系系统，已已有产品品报道；华中理理工大学学与广东东某公司司联合研研制的强强电压、大电

6、流流传感系系统。此此外，在在广东、深圳等等地，还还建立了了许多光光纤无源源器件生生产厂家家。由于于光纤传传感器未未能跨越越产品化化的门槛槛，并未未象光纤纤通信产产业那样样成指数数型增长长，许多多与我们们日常生生活密切切相关的的传感器器产品（如交通通管理、警报装装置等）和大量量的测试试仪器依依然依赖赖于进口口，亟待待发展的的空间非非常广阔阔。二、光纤纤传感器器的原理理性研究究 1、光光纤布拉拉格光栅栅 光纤纤布拉格格光栅FFBG于于19778年问问世11，这这种简单单的固有有传感元元件，可可利用硅硅光纤的的紫外光光敏性写写入光纤纤芯内，图1描描述了光光纤光栅栅的基本本原理。常见的的FBGG传感器

7、器通过测测量布拉拉格波长长的漂移移实现对对被测量量的检测测，光栅栅布拉格格波长(B)条件可可以由式式（1）表示：式中，光栅栅周期； n折射率率。当宽谱光光源入射射到光纤纤中，光光栅将反反射其中中以布拉拉格波长长lB为为中心波波长的窄窄谱分量量。在透透射谱中中，这一一部分分分量将消消失，llB随应应力与温温度的漂漂移为 2： 其中，外外加应力力； PPi,jj光纤纤的光弹弹张量系系数； 泊泊松比； 光纤材材料（如如石英）的热膨膨胀系数数； F温温度变化化量。 上式中中： 因因子典型型值为00.222。因此此，可以以推导出出在常温温和常应应力条件件下的FFBG应应力和温温度响应应条件如如式下：1p

8、mm的波长长分辨率率大致对对应于11.3mmm处0.11或1mme的温温度和应应力测量量精度。 光纤纤光栅除除了具备备光纤传传感器的的全部优优点之外外，还拥拥有自定定标和易易于在同同一根光光纤内集集成多个个传感器器复用的的特点。图2是是光纤光光栅传感感器在一一根光纤纤内实现现多点测测量的例例子33。 光栅传传感器可可拓展的的应用领领域有许许多，如如将分布布式光纤纤光栅传传感器嵌嵌入材料料中形成成智能材材料，可可对大型型构件的的载荷、应力、温度和和振动等等参数进进行实时时安全监监测；光光栅也可可以代替替其它类类型结构构的光纤纤传感器器，用于于化学、压力和和加速度度传感中中。 图图3为传传统阻抗抗

9、计与FFBG传传感器测测试结果果的比较较。美国国的MIICROON-OOPTIICS公公司所研研制的FFBG应应用系系统Sii42559 (见见图4)，可同同时测量量多达44路5112个FFBG传传感器，扫描范范围500nm、分辨率率1pmm、测量量频率可可达2444Hzz。 长长周期光光栅是指指周期大大于1000mmm的光栅栅，也是是继FBBG之后后光纤光光栅型传传感器的的另一个个重要分分支。由由于测量量利用包包层膜耦耦合的原原理，使使其同时时具备灵灵敏度优优良和制制作简便便的优势势。图55是长周周期光栅栅的透射射谱。光光纤光栅栅的其它它分支还还包括啁啁啾光栅栅、斜光光栅等2，它们也也已付诸

10、诸应用研研究66。 2、分布式式光纤传传感系统统 在世世界范围围内，由由于对工工民建和和工业设设施安全全性和效效益要求求的不断断提高，对集成成的安全全检测系系统的需需求逐步步攀升。具备可可连续、无间断断、长距距离测量量并与被被测量介介质有极极强的亲亲和性的的分布式式光纤传传感系统统似乎正正是为此此而量身身定做的的。分布布式光纤纤传感系系统通常常有三种种类型：拉曼型型、布里里渊型和和FBGG型。 拉曼型型分布式式光纤传传感系统统是基于于光纤拉拉曼散射射效应的的连续型型传感器器，其工工作原理理见图66。三种种类型的的传感系系统的应应用都已已见诸于于报道。其中尤尤以拉曼曼型分布布式传感感系统最最为成

11、熟熟，已成成功地装装载于AA3400运输机机上（图图7）。 FFBG型型分布式式传感系系统在应应力多点点分布式式测量中中有独到到的优点点，并可可同时完完成温度度和应力力的双参参量测量量5，为FFBG应应用开辟辟了更为为广阔的的前景。图8介介绍了采采用WDDM/TTDM解解调的FFBG阵阵列的拓拓扑结构构4。三、光纤纤传感器器产品的的应用与与开发 光纤传传感器的的应用开开发根据据当前的的应用热热点领域域和技术术类型可可大致分分为四个个大的方方向：光光（纤）层析成成像分析析技术OOCT、光纤智智能材料料（SMMARTT MAATERRIALL）、光光纤陀螺螺与惯导导系统、以及常常规工业业工程传传感

12、器。20002年是是光纤陀陀螺（II-FOOG）诞诞生的225周年年，在第第15届届OFSS年会上上，特别别为光纤纤陀螺开开辟了专专题会场场。 1、光层析析成像技技术 光纤纤层析成成像分析析技术从从兴起到到应用不不过只有有二、三三十年的的时间，根据不不同的原原理和应应用场合合，可将将光纤层层析技术术分为光光相干层层析成像像分析(OCTT)和光光过程层层析成像像分析技技术(OOPT)。 光层析析成像技技术源于于X射线线层析成成像分析析（CTT），其其基本原原理如图图9所示示。当XX射线或或光线传传输经过过被测样样品时，不同的的样品材材料对射射线的吸吸收特性性有不同同，因此此对经过过样品的的射线或

13、或光线进进行测量量、分析析，并根根据预定定的拓扑扑结构和和设计进进行解算算就可以以得到所所需要的的样品参参数。 光纤相相干层析析成像技技术（OOCT）主要应应用于生生物、医医学、化化学分析析等领域域，如视视网膜扫扫描、胃胃肠内视视和用于于实现彩彩色多普普勒(CCDOCCT)血血流成像像等。其其工作原原理基于于光的相相干检测测原理，基本系系统结构构如图110所示示。 OOCT为为生物细细胞和机机体的活活性检测测提供了了一种有有效的方方式，世世界上有有许多国国家都开开发出相相应的产产品。图图11为为视网膜膜的CTT扫描图图像。德德国的科科学家近近期推出出了一台台可用作作皮肤癌癌诊断的的OCTT设备

14、。此外，利用OOCT可可以实现现深度测测量（1mmm）的优优势，已已有实例例应用于于对生长长中的细细胞进行行观察和和监测中中。 而而OPTT则面向向工业工工程油油井、管管线等场场所，高高精度地地解决流流体的过过程测量量问题。由于OOPT所所关心的的是光线线路径上上的积分分过程，因此相相关的系系统集成成设计、测量理理论分析析中的单单元分割割与信号号处理都都是关键键。图112简单单描绘了了传统OOPT的的测量原原理，由由于OPPT具有有适用于于狭小的的或不规规则的空空间、安安全性高高、测量量区域不不受电磁磁干扰以以及可组组成测量量网络的的多项长长处，为为工业过过程的安安全测量量提供了了一种优优良的

15、手手段。 2、智智能材料料 智能能材料的的提出和和研究已已有相当当长的一一段时间间，为业业内人士士所熟悉悉。智能能材料是是指将敏敏感元件件嵌入被被测构件件机体和和材料中中，从而而在构件件或材料料常规工工作的同同时实现现对其安安全运转转、故障障等的实实时监控控。其中中，光纤纤和电导导线与多多种材料料的有效效结合是是关键问问题之一一，尤其其是实现现与纺织织材料的的自动化化编织。美国南南卡罗来来那州立立大学、佛吉尼尼亚理工工大学和和费城纺纺织学院院都在此此方面进进行了大大量工作作。笔者者曾参与与由美国国军方资资助的预预研项目目智能型型士兵（SMAART SOLLDIEER）和和智能型型降落伞伞（SM

16、MARTT PAARACCHUTTE）的的研究。图133展示了了一件嵌嵌入光纤纤和电导导线的背背心77。其其中光纤纤和电导导线的嵌嵌入均已已实现了了自动化化，为智智能型服服装的商商业化解解决了又又一难题题。 智智能材料料作为桥桥梁、大大坝等混混凝土大大型建筑筑的监测测系统已已在国外外多处工工程中通通过安装装测试并并付诸应应用。此此外，智智能材料料在航空空航天领领域的应应用也日日趋广泛泛，尤其其是采用用光纤光光栅和光光纤分布布式应力力、温度度测量系系统进行行恶劣环环境条件件高温温、变形形的多参参量监测测取得了了明显的的效果。图144勾勒出出分布式式传感器器在航天天领域多多参量监监测中的的应用方方

17、案。 3、光光纤陀螺螺及惯性性导航系系统 光光纤陀螺螺（I-FOGG）及惯惯导系统统历经225年的的发展，目前已已进入实实用阶段段。 从从19776年VValii和Shhortthilll首次次提出并并实验验验证I-FOGG原理之之后22的五五年间，世界范范围内的的主要工工作集中中于基本本结构的的研究、结构小小型化、开环和和闭环结结构的讨讨论等。图155显示出出光纤陀陀螺的标标准结构构100。 从19980到到19990年的的十年中中，对系系统误差差因子和和光纤器器件的研研究取得得了显著著的进展展，新型型的SLLD光源源、保偏偏光纤及及耦合器器的采用用，以及及特殊的的绕制技技术为陀陀螺的实实用

18、化铺铺平了道道路。上上世纪990年代代，中级级的I-FOGG由于采采用了消消偏结构构、3轴轴I-FFOG、EDFFA光源源等新型型光纤器器件和技技术，实实现了成成本降低低、体积积减小和和性能提提高目的的，并率率先在航航天及军军事领域域获得应应用。例例如，美美国Hooneyywelll公司司为美国国军方制制造的用用于直升升机的三三轴惯导导系统直直径仅为为86mmm。国国际上有有些高性性能光纤纤陀螺的的漂移指指标已达达到0.0011/hhr，许许多产品品已经投投入民用用飞机和和汽车工工业。未未来光纤纤陀螺在在工业领领域应用用还有更更广阔的的天地。 图图16是是日本MMitssubiishii Pr

19、reciisioon公司司和空间间及宇航航所为日日本M-V火箭箭系统设设计制造造的惯导导系统。 44、工业业工程类类传感器器 传统统的工业业工程类类传感器器包括应应用光纤纤的电光光和磁光光效应进进行测量量的电力力工业用用大电压压、电流流传感器器。图117为加加拿大BBC水电电站所安安装NXXVCTT的照片片。 利用用光纤的的弹光效效应和FFBG器器件的应应力传感感器已被被广泛应应用于应应力监测测中。图图18中中为法国国Alsstomm 公司司的铁路路部 TTrannspoort S.AA.领导导研制的的一种安安装了FFBG的的智能型型新型复复合材料料的转向向架110 。 在在许多特特殊场合合核

20、工工业、化化工和石石油钻探探中都应应用了监监测传感感系统。图199是安装装了嵌入入式FBBG温度度传感器器阵列的的发电机机定子。光纤传传感器系系统正日日益走向向成熟，并逐步步融入日日常的生生产和生生活之中中。更多多的应用用和研究究成果可可参考OOFS年年会论文文集110，以及SSPIEE的相关关专题会会议论文文。四、新型型光纤材材料与器器件 光纤通信信的迅猛猛发展带带动新型型光纤器器件和材材料的不不断涌现现，为光光纤传感感系统的的开发提提供了必必要的基基础。新新型材料料光纤和和新型结结构光纤纤前景看看好。 以SiiO2材材料为主主的光纤纤，工作作在0.8mm1.6mm的近红红外波段段，目前前所

21、能达达到的最最低理论论损耗在在15550nmm波长处处为0.16ddBkkm，已已接近石石英光纤纤理论上上的最低低损耗极极限，成成为满足足超宽带带宽、超超低损耗耗、高码码速通信信需要新新型基体体材料的的光纤。 氟化物物玻璃光光纤是当当前研究究最多的的超低损损耗远红红外光纤纤，其最最低损耗耗在2.5mm附近为为1110-33dBkm，无中继继距离可可达到111005kmm以上。硫化物物玻璃光光纤具有有较宽的的红外透透明区域域（1.2mm 112mm），有有利于多多信道复复用，其其温度对对损耗的的影响较较小，其其损耗水水平在66m波波长处为为0.22dBkm，是非常常有前途途的光纤纤。而且且，硫化

22、化物玻璃璃光纤具具有很大大的非线线性系数数，用它它制作的的非线性性器件，可以有有效地提提高光开开关的速速率，使使开关速速率达到到数百GGbss以上。重金属属氧化物物玻璃光光纤具有有优良的的化学稳稳定性和和机械物物理性能能，若把把卤化物物玻璃与与重金属属氧化物物玻璃的的优点结结合起来来，制造造成性能能优良的的卤-重重金属氧氧化物玻玻璃光纤纤，将具具有重要要意义。 特殊殊的应用用环境对对光纤有有特殊的的要求，石英光光纤的纤纤芯和包包层材料料具有很很好的耐耐热性，耐热温温度达到到40005000，所以以光纤的的使用温温度取决决于光纤纤的涂覆覆材料。目前，梯型硅硅氧烷聚聚合物（LSPP）涂层层的热固固

23、化温度度达4000以上，6000时的光光传输性性能和机机械性能能仍然很很好。采采用冷的的有机体体在热的的光纤表表面进行行非均匀匀成核热热化学反反应（HHNTDD），然然后在光光纤表面面进行裂裂解生成成碳黑，即碳涂涂覆光纤纤。碳涂涂覆光纤纤的表面面致密性性好，具具有极低低的扩散散系数，而且可可以消除除光纤表表面的微微裂纹，解决了了光纤的的“疲劳劳”问题题。 另一一方面，光纤的的结构决决定了光光纤的传传输性能能，合理理的折射射率分布布可以减减少光的的衰减和和色散的的产生，并增加加光能量量的传输输。随着着光纤通通信系统统的迅速速发展，出现了了DFFF（色散散平坦光光纤）。为了DDWDMM系统能能够在尽尽可能宽宽的可用用波段上上进行波波分复用用，各个个公司都都致力于于消除OOH-吸吸收峰，已开发发出的“无水峰峰光纤”，可实实现13350nnm114500nm第第五窗口口的实际际应用。美国LLuceent公公司开发发出的AAll Wavve光纤纤，克服服了OHH-的谐谐波吸收收，从而而实现了了12880nmm16625nnm范围围内完整整波段的的利用。为了适适应相干干通信系系统的要要求，已已经研制制出了“熊猫”型、“蝴蝶结结”型和和“扁平平”型的的高双折折射保偏偏光纤，另外具具有“边边坑”型型的单模模单偏振振保偏光光纤，以以及正在在研究中中的蜂窝窝型波导导光纤9、液晶光光纤（见见