光纤传感器的应用

118 科技广场 2005.10 光纤传感器的应用 Application of the Optical Fiber Sensor 闫若颖 王月香 李淑悦 Yan RuoyingWang YuexiangLi Shuyue （河北师范大学物理科学与信息工程学院,石家庄 050016） (College of Physics Science and Information Engineering, Hebei Normal University, Shijiazhuang050016) 摘 要: 本文简要介绍了光纤传感器的原理与特点，综述了光纤传感器国内外的发展情况及其研究与应用情况， 最后描述了其发展动态和主要研究方向。 关键词: 光纤; 传感器; 应用; 发展 中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-4792-(2005)10-0087-03 Abstract: This paper introduces the principle and characteristic of the optical fiber sensor, reviews the development、study and application in national and international optical fiber sensor briefly and describes its developmental trends and main research direction finally. Keywords: Optical Fiber; Sensor;Application;Development 0 引言 上世纪70年代，随着传感器技术的发展，光纤 传感器由于极高的灵敏度和精度，固有的安全性， 良好的抗电磁场干扰能力，高绝缘强度以及耐高温、 耐腐蚀、轻质、柔韧、宽频带等优点逐渐取得发展 与应用。由于其具有常规传感器所无法比拟的优点 和广阔的发展前景，很多国家不遗余力地加大对光 纤传感器的研究力度。近年来光纤传感器被认为是 传感技术发展的一个主导方向，其产业也被国内外 公认为最具有发展前途的高技术产业之一。在机械、 电子仪器仪、航天航空、石油、化工、生物医学、 环保、电力、冶金、交通运输、轻纺、食品等国民 经济各领域的生产过程自动控制、在线、故障 诊断、安全报警以及军事等方面有着广泛的应用。 1 光纤传感器的特征[1] 光纤传感器系统按照在传感器中的作用分为两 种类型：功能型和非功能型。功能型光纤传感器光 纤不仅起传光作用，而且是敏感元件，非功能型光 学传感器中，光纤不是敏感元件。描述光波特征的 参量很多（如光强、波长、相位、振幅态和模式分 布等），这些参量在光纤传输中都可能受外界影响而 发生变化。如当温度、压力、加速度、电压、电流、 位移、振动、转动、弯曲、应变以及化学量和物理 量等对光路产生影响时，均使这些参量发生相应变 化，光纤传感器就是根据这些参量随外界因素的变 化关系来检测各相应物理量的大小。光纤传感器由 光源、传输光纤、光电元件等部分组成。其中光源 是光纤传感器的重要组成部件，目前常用的有白炽 灯，激光器和发光二极管。光电元件多用半导体光 电二极管。 与其它常规传感器相比，光纤传感器有如下特 点： （1）高灵敏度，抗电磁干扰。 由于光纤传感器检测系统不传送电信号，因此， 光信号在传输中不会与电磁波发生作用，也不受任 何电噪声的影响，由于这一特征，光纤传感器在电 力系统的检测中得到了广泛应用。 （2）频带宽、动态范围大。 119 （3）可根据实际需要做成各种形状。 （4）可以用很近似的技术基础构成传感不同物 理量的传感器，这些物理量包括声场、磁场、压力、 温度、加速度、位移、液位、流量、电流、辐射等； （5）便于与计算机和光纤系统相连，易于实现 系统的遥测和控制。 （6）结构简单、体积小、质量轻、耗能小。正 由于它的这些优点，其应用领域非常广阔，市场前 景也比较广。 2 国内外光纤传感器的发展情况[2] 美国是最早研制光纤传感器并投资最大的国家 并且取得了很大成就。从1977开始由美国海军研究 所主持的光纤传感器系统共有5个公司参加，主要 研究方向是水声器、磁强计和其它水下检测有关设 备。1980年开始研究，1984年进行飞行实验的现代 数字光纤控制系统（ADOSS），采用光纤译码的光纤 传感器系统代替直升飞机驾驶员的控制，最终将实 现用光纤液压传动系统代替电源。另外，光纤陀螺 （FOG）、核辐射监控（NRM）计划、飞机发动机 监控（AEM）计划、民用研究计划（CRP）使光纤传 感器技术迅猛发展，在军事、民用、电力、监控、桥 梁、医学生物检测等方面得到广泛应用。 1983年，英国曼彻斯特举行的欧洲传感器展览 会上展出了用于压力、温度、速度测量的传感器，全 光纤干涉仪以及适用于危险地区、电磁噪声恶劣的 环境过程控制用的高分辨率长冲位移传感器。 德国的光纤陀螺的研究规模和水平仅次于美国 而居世界第二，西门子公司早在1980年制成了高压 光纤电流互感器的实验机样。 日本在20世纪80年代便制定了“光应用计划 控制系统”的规划，该计划投资70亿美元诣在将光 纤传感器应用于大型工厂，以解决强电磁干扰和易 燃、易爆等恶劣环境中信息测量传输和生产过程的 过程控制问。20世纪90年代，由东芝、日本电器 等15家公司和研究机构研究开发出12种具有一流 水平的民用光纤传感器。 我国在20世纪70年代末就开始了光纤传感器 的研究，其起步时间与国际相差不远。目前，已有 上百个单位在这一领域开展工作，如清华大学、华 中理工大学、武汉理工大学、重庆大学、核工业总 公司九院、电子工业部1426所等。他们在光纤温度 传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移 计等领域进行了大量的研究，取得了上百项科研成 果、其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值， 有的达到世界先进水平，每年发表的论文、申请的 专利也不少。 3 光纤传感器的应用 光纤传感器的应用非常广泛，几乎涉及国民经 济的所有重要领域和人们的日常生活。 3.1光纤传感器在石油领域中的应用[3] 众所周知，在石油领域中需要测量的量很多，其 中主要有地表输油管道的流量测量以及地下油井流 量的测量，流量是确定石油产业和传输特性极重要 的参数。可石油工业中被测量体成分和物质化学性 质复杂，流动状态多种多样，再加上工作现场条件 十分恶劣，很难进行测量。光纤流量传感器以其独 特的优点，比其它流量传感器有明显优势，在石油 工业中发挥极其重要的作用。 3.2光纤传感器在军事领域的应用[4] （1）光纤声纳阵。声纳是现代反潜战中的主要 探测手段，利用光纤声纳阵可探测水下敌方的潜艇。 目前，光纤声纳阵已处于现场实验阶段，不久将来 将成为现代反潜战的重要探测、定位手段。 （2）光纤陀螺仪。光纤陀螺仪可应用在各种制 导武器中，它在测量导弹的姿态、实现制导、控制 和目标跟踪中占有极其重要地位，它对提高制导武 器的制导精度起着极为重要的作用，甚至可以说起 着关键性和决定性作用。在上个世纪末，光纤陀螺 仪已投入部队使用。 3.3光纤传感器在医学中的应用[5] 医用传感器是医学测量仪器的第一环节，是医 学仪器与人体直接耦合关键的器件。可以说它在从 定向医学走向定量医学发展过程中起到了重要作用， 特别是光纤传感器在观察体内器官、传递形态学检 查图像中起到重要作用。目前，医用光纤传感器的 研究与应用正受到广泛重视，种类也日趋繁多，功 能和质量也不断完善，从而越来越显示出光纤传感 技术在医学应用的广泛前景。 3.4光纤传感器在土木工程中的应用[6] 光纤传感器在土木工程中的应用主要体现在： ①监控结构的应用与变形；②对结构开裂进行检测； ③对大体积混凝土测温；④组成传感器网络，遥控 监测结构性能；⑤结构安全预示报警。我国已将光 纤传感材料用于三峡大坝和部分桥梁的健康检测和 安全评定等，美国、日本、加拿大、英国等国家的 大学、研究机构也投入了大量精力研究光纤传感器 ???????? 120 科技广场 2005.10 在混凝土结构中的应用。 3.5光纤传感器在环境监控中的应用[7] 对生态环境的监控实际上是人类自我保护的一 种措施，其中对水和大气的监控尤为重要。对水质 进行方便、可靠、连续、现场监控或遥测，使用光 纤传感器是非常理想的。利用不同的技术可以制出 光纤PH传感器、光纤离子传感器、光纤化合物传感 器、光纤浊度传感器等，可对水质进行检测。另外， 在大气测量方面，光纤传感器可以用来检测氧分压 和二氧化碳分压；采用单根光纤制成的消失波传感 器可以直接在甲烷3.39微米强吸收带进行吸光—— 浓度的检测，其检测限度可达1%的甲烷浓度，采用 红外光纤其灵敏度与稳定性将进一步提高。 3.6光纤传感器在飞机上的应用[8] 随着科学技术的发展，许多高性能的光电元件 及光纤传感器系统被研制出来，并在飞机飞行控制 系统中得到一定程度的应用，特别是数字电子式飞 机飞行控制系统发展后，给光纤传感器及其系统的 应用提供了广阔的前景。在飞机飞行控制系统中， 最具有应用前景的光纤传感器系统的类型有：时间 分割多路传输型（TDM）、波长分割多路传输型（WDM） 和相干频率调制载波型（FMCW）。 3.7在电力系统上的应用[2] 由于电类传感器易受强电磁场的干扰，在这种 场合测试温度、电流等参数就需要用光纤传感器， 当光信息在光纤中传输时，不会与电磁场发生作用， 因此在电类系统得到广泛应用。 4 光纤传感器的发展动态与研究方向 光纤传感器作为一种优势明显的新型传感器， 已进入实际化阶段，逐步形成传感领域的一个新的 分支，不但在高、精、尖领域得到应用，而且在传 统的工业领域被迅速推广，其本身产品不断推层出 新，显示出强大的生命力，新的传感原理更是不断 出现，促进了科学技术的发展。虽然如此，光纤传 感技术现状仍然远远不能满足实际需要，还存在着 有待解决的问题，需要科技人员的不断努力。如光 纤传感器的输出信号会受到光源波动、光纤传输损 耗变化、探测器老化等因素的影响，组成光纤传感 器各部分元件的本身性能对测量精度的影响等。认 真研究光纤传感器的各部分元件的性能（有效抑制 光源波动、减小光纤传输损耗），特别是进一步改进 敏感元件的制作及结构，探索新的敏感机理， 充分发挥微处理技术和计算机软件功能以改善和补 偿光纤传感器的性能，发展数字集成化和自动化、 工程化的新型光纤传感器，研制出适合于网络化应 用的光纤传感器阵列及特殊测量要求的新型光纤传 感器是今后的研究发展趋势。 5 结束语 在现代信息社会中，传感器技术迅猛发展，其 中光纤传感器以其独特的优点应用非常广泛，包括 工业、军事、医疗、通讯、过程控制以及恶劣环境 下物理量的测量等。“中国2010年远景规划”已将 传感器列为重点发展的产业之一，随着我国加入世 界贸易组织，传感器的市场需求和发展空间的潜力 是非常大的。可以预见，随着制作技术的日益成熟 和器件性能的不断提高，不久的将来光纤传感器必 将在海洋、化工、水利电力等各个领域显示其应用 活力。 参考文献 [1]彭军.传感器与检测技术[M].西安:电子科技 大学出版社,2003.11. 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