光纤传感器新发展重点.ppt

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1、光纤传感器的最新发展世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那样迅速地获得产业化，许多关键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化有一定的距离，因此光纤传感技术的原理性研究仍处于相当重要的位置。由于很多光纤传感器的开发是以取代当前已相当成熟，可靠性和成本已得到公认，并已经被广泛采用的传统机电传感系统为目的，所以尽管这些光纤传感器具有如电磁绝缘、高灵敏度、易复用等诸多优势，其市场渗透所面临的困难和挑战是可想而知的。而那些具有前

2、所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中占有明显优势，FBG和其它的光栅类传感器就是一个最好的例证。当前的原理性研究热点集中于光纤光栅（FBG和LPG）型传感器和分布式光纤传感系统两大板块。对于光纤传感技术的应用研究主要有以下四大类：光（纤）层析成像技术（OCT，OPT）;智能材料（SMARTMATERIALS）;光纤陀螺与惯导系统（IFOG，IMIU）和常规工业工程传感器。另外，由于光纤通信市场需求的带动以及传感技术的特殊要求，新型器件和特种光纤的研究成果也层出不穷。二、光纤传感器的原理性研究1、光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅FBG于1978年问世[1]，这

3、种简单的固有传感元件，可利用硅光纤的紫外光敏性写入光纤芯内，图1描述了光纤光栅的基本原理。常见的FBG传感器通过测量布拉格波长的漂移实现对被测量的检测，光栅布拉格波长(λB)条件可以表示：式中，∧—光栅周期；n—折射率。光栅传感器可拓展的应用领域有许多，如将分布式光纤光栅传感器嵌入材料中形成智能材料，可对大型构件的载荷、应力、温度和振动等参数进行实时安全监测；光栅也可以代替其它类型结构的光纤传感器，用于化学、压力和加速度传感中。图3为传统阻抗计与FBG传感器测试结果的比较2、分布式光纤传感系统在世界范围内，由于对工民建和工业设施安全性和效益要求的不断提高

4、，对集成的安全检测系统的需求逐步攀升。具备可连续、无间断、长距离测量并与被测量介质有极强的亲和性的分布式光纤传感系统似乎正是为此而量身定做的。分布式光纤传感系统通常有三种类型：拉曼型、布里渊型和FBG型。拉曼型分布式光纤传感系统是基于光纤拉曼散射效应的连续型传感器，其工作原理见图6。三种类型的传感系统的应用都已见诸于报道。其中尤以拉曼型分布式传感系统最为成熟，已成功地装载于A340运输机上（图7）。FBG型分布式传感系统在应力多点分布式测量中有独到的优点，并可同时完成温度和应力的双参量测量，为FBG应用开辟了更为广阔的前景。图8介绍了采用WDM/TDM解

5、调的FBG阵列的拓扑结构。三、光纤传感器产品的应用与开发光纤传感器的应用开发根据当前的应用热点领域和技术类型可大致分为四个大的方向：光（纤）层析成像分析技术OCT、光纤智能材料（SMARTMATERIAL）、光纤陀螺与惯导系统、以及常规工业工程传感器。1、光层析成像技术光纤层析技术分为光相干层析成像分析(OCT)和光过程层析成像分析技术(OPT)。光层析成像技术源于X射线层析成像分析（CT），其基本原理如图9所示。当X射线或光线传输经过被测样品时，不同的样品材料对射线的吸收特性有不同，因此对经过样品的射线或光线进行测量、分析，并根据预定的拓扑结构和设计进

6、行解算就可以得到所需要的样品参数。光纤相干层析成像技术（OCT）主要应用于生物、医学、化学分析等领域，如视网膜扫描、胃肠内视和用于实现彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。其工作原理基于光的相干检测原理，基本系统结构如图10所示。OCT为生物细胞和机体的活性检测提供了一种有效的方式，世界上有许多国家都开发出相应的产品。图11为视网膜的CT扫描图像。德国的科学家近期推出了一台可用作皮肤癌诊断的OCT设备。此外，利用OCT可以实现深度测量（~1mm）的优势，已有实例应用于对生长中的细胞进行观察和监测中。而OPT则面向工业工程－油井、管线等场所，高精度地解决流体

7、的过程测量问题。由于OPT所关心的是光线路径上的积分过程，因此相关的系统集成设计、测量理论分析中的单元分割与信号处理都是关键。图12简单描绘了传统OPT的测量原理，由于OPT具有适用于狭小的或不规则的空间、安全性高、测量区域不受电磁干扰以及可组成测量网络的多项长处，为工业过程的安全测量提供了一种优良的手段。2、智能材料智能材料的提出和研究已有相当长的一段时间，为业内人士所熟悉。智能材料是指将敏感元件嵌入被测构件机体和材料中，从而在构件或材料常规工作的同时实现对其安全运转、故障等的实时监控。其中，光纤和电导线与多种材料的有效结合是关键问题之一，尤其是实现与

8、纺织材料的自动化编织。美国南卡罗来那州立大学、佛吉尼亚理工大学和费城纺织学院都在