光纤传感器的应用及发展

文章编号:10044736(2004)02006304

光纤传感器的应用及发展

杨春曦,胡中功3,戴克中

(武汉化工学院电气信息工程学院,湖北武汉430073)

摘　要:简要介绍了光纤传感器的特点,综述了光纤传感器的发展以及近期国际上光纤传感器的研究和应用情况,最后描述了其前景和主要研究方向.

关键词:光纤传感器;应用;光纤布拉格光栅;温度测量中图分类号:TQ 174.75+9 文献标识码:A

收稿日期:20031013

作者简介:杨春曦(1976),男,贵州铜仁人,硕士研究生.3通讯联系人.

0　引　言

光纤传感器的历史可追溯到上世纪70年代,

那时,人们开始意识到光纤不仅具有传光特性,且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础,无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来.1977年,美国海军研究所(N RL )开始执行由查尔斯・M ・戴维斯(Charles M .D avis )博士主持的Fo ss (光纤传感器系统)计划[1],这被认为是光纤传感器问世的日子.从这以后,光纤传感器在世界的许多实验室里出现.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,也涌现出许多成果[2].但它仍存在诸如价格昂贵、技术不够成熟等瓶颈,这使得它在工程上的应用较少.最近涌现的很多成果无论是在价位上还是技术上都有了新的突破.随着新方法、新工艺不断被引入,大量低价位高性能光纤传感器面世,而光纤与其他学科理论相结合,不仅使光纤传感器在信号检测精度、传输减损、信号处理方面有了很大的提高,而且其应用领域也越加广阔.本文简要地介绍了光纤传感器的特点,并对光纤传感器近期的发展动态进行简要地概述.

1　光纤传感器的特点

光纤传感器由光源、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成.众所周知,描述光波特征的参量很多(如光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等),这些参量在光纤传输中都可能会受外界影响而发生改变.如当温度、压力、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、弯曲、应变以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时,均会使这

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.一般光纤传感器按其作用不同可分为两种类型:传光型和敏感型.而按其检测方法不同主要又可分为两种类型:强度型和相位型.图1是光纤传感器的结构框图

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图1　光纤传感器的结构框图

F ig .1　Structu ral diagram of fiber op tic sen so r

与传统的传感器相比,光纤传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、耐腐蚀、本质安全及测量对象广泛等特点,而且在一定条件下可任意弯曲,可根据被测对象的情况选择不同的检测方法,再加上它对被测介质影响小,非常有利于在医药卫生等具有复杂环境的领域中应用.

2　光纤传感器在研究和工程中的应

用近况

2.1　光纤传感器的工程应用

光纤的优点和具体学科理论相结合,产生一大批应用范围更广、性能更好、价格相对低廉的各具特色的光纤传感器,在传统领域和新兴领域都得到很好的应用.

2.1.1　光纤传感器在化学和生物学中的应用　当前,在国外研究得比较多的化学和生物光纤传感器主要有光吸收型传感器,荧光型传感器和衰减波形光纤传感器三种.

a .光吸收型传感器的工作原理是根据测定被测物对特定波长的光产生吸收以及吸收的强度来确

第26卷第2期 武　汉　化　工　学　院　学　报 V o l .26　N o.22004年6月 J.　W uhan In st .　Chem.　T ech . Jun.　2004

定被测物的种类和浓度大小.在海洋中,海水里所含的叶绿素和藻胆蛋白、黄色物质、石油污染物、微量重金属(Pb,Cu,C r,Cd,Zn等)都有自己的特征吸收光谱,所以它们都能用这种光纤传感器进行测量.相对于大、笨、重的分立式块状光学元件构造的仪器,光纤传感器结构简单化,小型化,而且牢固,能够直接在海洋现场进行测量,测量精度高,能测量的最低质量浓度可小于1Λg L.

b.荧光型化学和生物传感器是通过测量物质的特征荧光光谱来鉴别被测物质的种类和浓度.对荧光的检测有两种方式:测量荧光淬灭或荧光增强;测量荧光寿命或测量荧光能量转换.用上面两种方式可进行pH值、氧分子、一氧化氮、葡萄糖等的测量.

c.衰减波形化学和生物光纤传感器的测量机理是根据光纤的导播原理研制而成.具体做法是把处于测量场的光纤的一小段光纤外层包皮去掉,在这段裸露的光纤上涂抹一层折射率小于纤

.在测量被测物时,敏感层对测量物产生吸附,结果导致光纤的波导结构发生变化,利用被测物与波导结构变化的相关性达到检测的目的.这种传感器的关键技术在于合理的选择对被测物敏感的涂抹物质和优化设计光纤传感头的波导结构.目前可用来测量石油污染物(灵敏度可达10-6数量级)和水的pH值等[3～5].

2.1.2　光纤传感器在土木工程中的应用　土木工程结构和重大基础设施的设计寿命较长,但是受负载的作用、疲劳效应以及材料老化和腐蚀等不利因素的影响,整体结构会产生损伤积累和抗力衰减,致使其实际使用寿命缩短,甚至可能造成塌方等灾难事件.于是,人们希望土木结构有一定的感知失事或示警的智能功能,能“感知”内部状态变化并做出必要的预警或进行自我修复.光纤传感器集信息传输和传感于一体,易与网络连接,再加上耐高温,抗腐蚀等优良特性,是充当土木工程结构的“神经元”的理想元件.其应用特点是在土木工程结构中(或在其表面)埋入(或粘贴)光纤传感器,通过分析光的传输特性,如光强、相位和波长等,就可获得光纤周围材料的应力、压强、电磁场、密度、温度、化学成分,ς射线和Χ射线等量的变化,从而实现对土木工程结构的健康状态参数和安全可靠性进行实时、在线的动态监测与控制.应用实例有:1989年,Fuh r等人在美国89#州际公路桥上粘贴了光纤振动传感器用于检测桥的共振频率;1994年,在德国的Calgary市建成了第一座由预应力碳纤维复合材料和钢筋组成的桥,在碳纤维中加入光纤布拉格光栅应变传感器,以检测碳纤维预应力的损失情况等[6,7].

光纤传感器还在无损检测领域[8]、医药学[9]、控制领域、复合材料[10]、军事领域[11]和逆向工程[12,13]等其他方面有着初步的应用和广泛的应用前景.其新型产品也不断涌现,今年,日本东京大学工学系开发出了世界第一个用来检查核电站、高速公路、隧道等是否存在裂纹的光纤传感器,灵敏度是过去检测装置的千倍以上,价格也很便宜.

2.2　光纤传感器的研究近况和发展趋势

光纤传感器不断在各个领域得到应用的同时,光纤传感器自身也在不断完善和产品翻新.人们根据光纤的不同特点开发出各种类型的产品,如:以波长调制为特点的光纤光栅传感器;利用光学原理测量电流的光纤电流传感器;对各种气体的成分,浓度等参数进行检测和控制的光纤气敏传感器;集传统传感器和光纤传感器优点于一身的过渡型传感器混合型光纤传感器;为扩展光纤传感器在高电压系统的在线监测中的应用范围,实现“无源”化而推出的微功耗太阳能光纤传感器;能通过降低温度干扰而获得高压力响应的液晶光纤传感器[14,15]等.

2.2.1　温度光纤传感器　测温度是传统传感器应用较多的领域,在这个领域里,有众多基于不同原理制成的各式传感器,如热电偶,热电阻等.人们根据器件的费用,性能参数,尺寸大小以及可靠性选择不同传感器以满足不同的使用场合.在某些特殊场合,比如在有明显电磁干扰下测量液体温度时,传统传感器就无能为力了.一种基于光纤的新型传感器应运而生,它不仅价格低廉,而且具有精度高,重复率好,抗干扰(特别是电磁干扰)能力强的优点.具体做法是在测量探头里把光纤的一小部分包层去掉,代之以适当的“参考”液(它的折射率与温度的关系已知).然后把探头浸入待测液体里,通过对检测到的光纤输出功率进行简单计算就能得到被测液体的温度值.文献[16]中给出了参考液体分别为橄榄油,汽油时的温度测量范围.其测量范围还可以通过改变裸露光纤的长度来调节.文献[17]基于上面原理进一步介绍了多探头光纤传感器,并引入以微处理器为基础的硬件和基于神经元网络的测量软件,很好地解决了使用多探头时一些参数相互制约问题,而且温度测量范围更大,重复性更好,测量时间更短.

2.2.2　蓝宝石高温光纤传感器　这种传感器克服了普通石英光纤和常用传感器材料可测温度上

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