光纖傳感器的今天與發(fā)展

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1、光纖傳感器的今天與發(fā)展廖延彪黎敏摘要：本文報道了光纖傳感器國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀。主要介紹了兩方面的情況：光纖傳感器原理性研究的發(fā)展現(xiàn)狀和光纖傳感器產(chǎn)品的應用與開發(fā)的現(xiàn)狀。前者報道了光纖光柵、分布式光纖傳感技術以及光纖傳感網(wǎng)的發(fā)展，這些是目前的研究熱點；后者介紹了光層析成像技術、智能材料、光纖陀螺及慣性導航系統(tǒng)、工業(yè)工程類傳感器（其中包括電力工業(yè)用高電壓、大電流傳感器，利用光纖的彈光效應和FBG器件的應力傳感器等）。最后介紹了新型光纖材料與器件、氟化物玻璃光纖，碳涂覆光纖、以及正在研究中的蜂窩型波導光纖、

2、液晶光纖等。關鍵詞：光纖傳感技術；光纖傳感發(fā)展；光纖傳感應用中圖分類號：TP212.14??文獻標識碼：A?一、引言隨著密集波分復用DWDM技術、摻鉺光纖放大器EDFA技術和光時分復用OTDR技術的發(fā)展和成熟，光纖通信技術正向著超高速、大容量通信系統(tǒng)的方向發(fā)展，并且逐步向全光網(wǎng)絡演進。在光通信迅猛發(fā)展的帶動下，光纖傳感器作為傳感器家族中年輕的一員，以其在抗電磁干擾、輕巧、靈敏度等方面獨一無二的優(yōu)勢，已迅速成長為年成交額超過10億美金，并預計將于2010年擁有超過50億美金市場的產(chǎn)業(yè)。每年由美國光學工

3、程師學會(OSA)主辦的光纖傳感國際會議（OFS）及時報道著光纖傳感領域的最新進展，并對光纖傳感及其相應技術進行有益的研討。當前，世界上光纖傳感領域的發(fā)展可分為兩大方向：原理性研究與應用開發(fā)。隨著光纖技術的日趨成熟，對光纖傳感器實用化的開發(fā)成為整個領域發(fā)展的熱點和關鍵。由于光纖傳感技術并未如光纖通信技術那樣迅速地獲得產(chǎn)業(yè)化，許多關鍵技術仍然停留在實驗室樣機階段，距商業(yè)化有一定的距離，因此光纖傳感技術的原理性研究仍處于相當重要的位置。由于很多光纖傳感器的開發(fā)是以取代當前已相當成熟，可靠性和成本已得到公

4、認，并已經(jīng)被廣泛采用的傳統(tǒng)機電傳感系統(tǒng)為目的，所以盡管這些光纖傳感器具有如電磁絕緣、高靈敏度、易復用等諸多優(yōu)勢，其市場滲透所面臨的困難和挑戰(zhàn)是可想而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纖傳感器則在競爭中占有明顯優(yōu)勢，F(xiàn)BG和其它的光柵類傳感器就是一個最好的例證。當前的原理性研究熱點集中于光纖光柵（FBG和LPG）型傳感器和分布式光纖傳感系統(tǒng)兩大板塊。FBG型光纖傳感器自發(fā)明之日起，已走過了原理性研究和實驗論證的百家爭鳴階段。目前成熟的FBG制作工藝已可形成小批量生產(chǎn)能力，而研究的焦點也轉(zhuǎn)向解決高精度

5、應用，完善解調(diào)和復用技術，以及降低成本等幾個方向上。另一方面，由于光纖傳感器具有將傳輸與傳感媒質(zhì)合而為一的特性，使得沿布設路徑上的光纖可全部成為敏感元件，因此，分布式傳感成為光纖傳感器與生俱來的優(yōu)點。對于光纖傳感技術的應用研究主要有以下四大類：光（纖）層析成像技術（OCT，OPT）、智能材料（SMARTMATERIALS）、光纖陀螺與慣導系統(tǒng)（IFOG，IMIU）和常規(guī)工業(yè)工程傳感器。另外，由于光纖通信市場需求的帶動以及傳感技術的特殊要求，新型器件和特種光纖的研究成果也層出不窮。目前，我國的光纖傳感

6、器研究大多數(shù)集中于大專院校和科研單位，仍然未完成由實驗室向產(chǎn)品化的過渡。其中，比較成熟的技術包括：清華大學光纖傳感中心與總后合作研制開發(fā)的光纖油罐液位與溫度測量系統(tǒng)，已經(jīng)安裝運行數(shù)年；北京航空航天大學與總裝合作研制的光纖陀螺系統(tǒng)，目前指標為0.2°/hr；中國計量學院研制的分布式光纖傳感系統(tǒng)，已有產(chǎn)品報道；華中理工大學與廣東某公司聯(lián)合研制的強電壓、大電流傳感系統(tǒng)。此外，在廣東、深圳等地，還建立了許多光纖無源器件生產(chǎn)廠家。由于光纖傳感器未能跨越產(chǎn)品化的門檻，并未象光纖通信產(chǎn)業(yè)那樣成指數(shù)型增長，許多與我

7、們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P的傳感器產(chǎn)品（如交通管理、警報裝置等）和大量的測試儀器依然依賴于進口，亟待發(fā)展的空間非常廣闊。二、光纖傳感器的原理性研究1．光纖布拉格光柵光纖布拉格光柵FBG于1978年問世[1]，這種簡單的固有傳感元件，可利用硅光纖的紫外光敏性寫入光纖芯內(nèi)，圖1描述了光纖光柵的基本原理。常見的FBG傳感器通過測量布拉格波長的漂移實現(xiàn)對被測量的檢測，光柵布拉格波長(λB)條件可以由式（1）表示：??????????????????????????(1)式中，∧—光柵周期；n—折射率。當寬譜光源入射

8、到光纖中，光柵將反射其中以布拉格波長lB為中心波長的窄譜分量。在透射譜中，這一部分分量將消失，lB隨應力與溫度的漂移為[2]：??（2）其中，ε—外加應力；Pi,j—光纖的光彈張量系數(shù)；ν—泊松比；α—光纖材料（如石英）的熱膨脹系數(shù)；△F—溫度變化量。上式中：因子典型值為0.22。因此，可以推導出在常溫和常應力條件下的FBG應力和溫度響應條件如式下：με-1?????????????????????（3）℃-1????????????????????（4）1pm的波長