光纖傳感器的組成結(jié)構(gòu)及發(fā)展前景

                                           光纖傳感器的組成結(jié)構(gòu)及發(fā)展前景

組成結(jié)構(gòu)

光纖傳感器網(wǎng)的三種基本構(gòu)成。

    光纖傳感器網(wǎng)有三種基本構(gòu)成，其中一個(gè)叫單點(diǎn)式傳感器。一根光纖在這里僅僅起到傳輸?shù)淖饔茫硗庖环N叫多點(diǎn)式傳感器，在這里一根光纖把很多傳感器串起來，這樣很多傳感器可以共用光源實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性監(jiān)測。再有就是智能光纖傳感器。

    多點(diǎn)式光纖傳感器，從外表看就是一節(jié)光柵，通過紫外線照射發(fā)現(xiàn)有周期性的間隔。當(dāng)有光纖入射的時(shí)候，如果光纖的波長正好等于間隔的兩倍，那么這個(gè)光波將會受到強(qiáng)烈的反射，而如果光纖受到溫度變化或者應(yīng)變等等，這個(gè)反射波長將會發(fā)生變化，這種傳感器在一根光纖上可以做很多個(gè)，把它連接起來就可以用于各種各樣的傳感應(yīng)用。

    因?yàn)楣饫w是軟的，它可以兩維、三維，所以橫軸是空間的位置，縱軸是測量對象。這樣一個(gè)傳感網(wǎng)解決了什么問題呢?它解決了在什么位置上發(fā)生了什么事情，那個(gè)事情有多少個(gè)強(qiáng)度的問題，也就是提供了兩維的信息。這就是智能光纖傳感器所需要解決的問題，它有非常突出的特點(diǎn)要求，包括體積小、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，可植入材料中?？闺姶鸥蓴_、耐環(huán)境。 

    光纖傳感器已經(jīng)成功應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測。我們看到A-380和波音787，它們的特點(diǎn)是超過一半數(shù)量是碳纖維，比如說碳纖維符合樹脂有幾種缺失，一個(gè)是層與層之間的剝離，由于這種材料比較強(qiáng)，所以很難像鋁合金材料那樣實(shí)行碳酸檢測，所以研究人員現(xiàn)在開始研究把光纖傳感器埋到復(fù)合材料當(dāng)中去，由于這種材料一層大概125微米的厚度，所以這種光纖傳感器必須是特別細(xì)小的光纖傳感器，大概直徑在50個(gè)微米左右。

    我們說光纖傳感器網(wǎng)可以成為安全安心社會的神經(jīng)網(wǎng)。光纖傳感器網(wǎng)可以用語光纖通訊網(wǎng)的診斷技術(shù)。光纖傳感器網(wǎng)在安防方面已經(jīng)有很多的應(yīng)用，國內(nèi)有很多企業(yè)在這方面開展了卓有成效的工作。

發(fā)展前景

    國內(nèi)市場上，應(yīng)用最為廣泛的光纖傳感技術(shù)當(dāng)屬布拉格光纖光柵和基于光時(shí)域反射的分布式傳感器，這種技術(shù)基本上可以滿足中低端市場的需求。而現(xiàn)在光譜線寬窄至2kHz的單頻光纖激光器及其引申出來的最新一代光傳感技術(shù)，這與傳統(tǒng)的光纖傳感有很大的區(qū)別，它可以進(jìn)行超遠(yuǎn)距離的傳輸，精度和敏感度能達(dá)到更高的要求，這在高端市場上需求很大，21世紀(jì)初，該項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)尚處于立項(xiàng)和預(yù)研階段。國內(nèi)市場上光纖傳感器應(yīng)用主要在以下四種：光纖陀螺、光纖光柵傳感器、和光纖水聽器。下面對這四種產(chǎn)品分別介紹一下。

    一、光纖陀螺。 光纖陀螺按原理可分為干涉型、諧振型和布里淵型，這是三代光纖陀螺的代表。第一代干涉型光纖陀螺，21實(shí)際初期，該項(xiàng)技術(shù)就已經(jīng)成熟，適合進(jìn)行批量生產(chǎn)和商品化；第二代諧振型光纖陀螺，暫時(shí)還處于實(shí)驗(yàn)室研究向?qū)嵱没七M(jìn)的發(fā)展階段；第三代布里淵型，它還處于理論研究階段。光纖陀螺結(jié)構(gòu)根據(jù)所采用的光學(xué)元件有三種實(shí)現(xiàn)方法：小型分立元件系統(tǒng)、全光纖系統(tǒng)和集成光學(xué)元件系統(tǒng)。21世紀(jì)初期，分立光學(xué)元件技術(shù)已經(jīng)基本退出，全光纖系統(tǒng)用在開環(huán)低精度、低成本的光纖陀螺中，集成光學(xué)器件陀螺由于其工藝簡單、總體重復(fù)性好、成本低，所以在高精度光纖陀螺很受歡迎，是其主要實(shí)現(xiàn)方法。

    二、光纖光柵傳感器。 目前國內(nèi)外傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一光纖布拉格光柵傳感器。傳統(tǒng)光纖傳感器基本上可分為兩種類型：光強(qiáng)型和干涉型。光強(qiáng)型傳感器的缺點(diǎn)在于光源不穩(wěn)定，而且光纖損耗和探測器容易老化；干涉型傳感器由于要求兩路干涉光的光強(qiáng)同等，所以 需要固定參考點(diǎn)而導(dǎo)致應(yīng)用不方便。21世紀(jì)初期開發(fā)的以光纖布拉格光柵為主的光纖光柵傳感器可以避免出現(xiàn)上面兩種情況，其傳感信號為波長調(diào)制、復(fù)用能力強(qiáng)。在建筑健康檢測、沖擊檢測、形狀控制和振動(dòng)阻尼檢測等應(yīng)用中，光纖光柵傳感器是最理想的靈敏元件。光纖光柵傳感器在地球動(dòng)力學(xué)、航天器、電力工業(yè)和化學(xué)傳感中有廣泛的應(yīng)用。

    三、光纖電流傳感器。電力工業(yè)的迅猛發(fā)展帶動(dòng)電力傳輸系統(tǒng)容量不斷增加，運(yùn)行電壓等級也越來越高，電流也越來越大，這樣測量起來就非常困難，這就顯現(xiàn)出光纖電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)了。在電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的用來測量電流的傳感器是以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)，這就存在以下缺點(diǎn)：它容易爆炸以至引起災(zāi)難性事故；大故障電流會造成鐵芯磁飽和；鐵芯發(fā)生共振效應(yīng)；頻率響應(yīng)慢；測量精度低；信號易受干擾；體積重量大、價(jià)格昂貴等等，已經(jīng)很難滿足新一代數(shù)字電力網(wǎng)的發(fā)展需要。這個(gè)時(shí)候光纖電流傳感器應(yīng)運(yùn)而生。

     四、光纖水聽器。 光纖水聽器主要用來測量水下聲信號，它通過高靈敏度的光纖相干檢測，將水聲信號轉(zhuǎn)換為光信號，并通過光纖傳至信號處理系統(tǒng)進(jìn)行識別。與傳統(tǒng)水聽器相比，光纖水聽器具有靈敏度高、響應(yīng)帶寬寬、不受電磁干擾等特點(diǎn)，廣泛用于軍事和石油勘探、環(huán)境檢測等領(lǐng)域，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α９饫w水聽器按原理可分為干涉型、強(qiáng)度型、光柵型等。干涉型光纖水聽器關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成熟，在部分領(lǐng)域形成產(chǎn)品；光纖光柵水聽器則是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，研究的關(guān)鍵技術(shù)涉及光源、光纖器件、探頭技術(shù)、抗偏振衰落技術(shù)、抗相位衰落技術(shù)、信號處理技術(shù)、多路復(fù)用技術(shù)以及工程技術(shù)等。

    光纖傳感器技術(shù)是建立在光纖、光通信和光電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，電磁干擾和腐蝕作用對它的影響很小，還能適應(yīng)各種惡劣的氣象環(huán)境，不要額外的電源進(jìn)行供電，就可以長距離的進(jìn)行傳輸，已成為傳感器行業(yè)的研究熱點(diǎn)。

傳感器一直朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍卻是倍受青睞。
　　光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能。光纖傳感器應(yīng)用于對磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測量。其應(yīng)用范圍十分廣泛。因此我們可以說光纖傳感器具有很大的市場需求，不說長久，至少在未來5年，光纖傳感器將會有廣闊的發(fā)展前景。

光纖傳感技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，滿足了各類控制裝置及系統(tǒng)對信息的獲取與傳輸提出的更高要求，使得各領(lǐng)域的自動(dòng)化程度越來越高，作為系統(tǒng)信息獲取與傳輸核心器件的光纖傳感器的研究非常重要。

    光纖傳感器技術(shù)發(fā)展的主要方向是：

（1）多用途。即一種光纖傳感器不僅只針對一種物理量，要能夠?qū)Χ喾N物理量進(jìn)行同時(shí)測量。

（2）提高分布式傳感器的空間分辨率、靈敏度，降低其成本，設(shè)計(jì)復(fù)雜的傳感器網(wǎng)絡(luò)工程。注意分布式傳感器的參數(shù)，即壓力、溫度，特別是化學(xué)參數(shù)（碳?xì)浠衔?、一些污染物、濕度、PH值等）對光纖的影響。

（3）新型傳感材料、傳感技術(shù)等的開發(fā)。

（4）在惡劣條件下（高溫、高壓、化學(xué)腐蝕）低成本傳感器（支架、連接、安裝）的開發(fā)和應(yīng)用。

（5）光纖連接器及與其它微技術(shù)結(jié)合的微光學(xué)技術(shù)。

光纖傳感運(yùn)用主要分為五大方向：

（1）石油和天然氣——油藏監(jiān)測井下的P/T傳感、地震陣列、能源工業(yè)、發(fā)電廠、鍋爐及蒸汽渦輪機(jī)、電力電纜、渦輪機(jī)運(yùn)輸、煉油廠；

（2）航空航天——噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭推進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)身；

（3）民用基礎(chǔ)建設(shè)——橋梁、大壩、道路、隧道、滑坡；

（4）交通運(yùn)輸——鐵路監(jiān)控、運(yùn)動(dòng)中的重量、運(yùn)輸安全；

（5）生物醫(yī)學(xué)——醫(yī)用溫度壓力、顱內(nèi)壓測量、微創(chuàng)手術(shù)、一次性探頭。