光纤传感技术的研究现状与展望

作者简介： 肖 军， 男， １９７７年生， ２０００年河北大学物理系毕业， 中北大学在读硕士研究生。
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第 ６ 期（总第 ９３ 期）
机械管理开发
２００６ 年 １２ 月
传统的电流互感器是按电磁感应原理， 把高压端的大 电流转换成小电流， 在低压端进行测量。其成本主要用 于解决绝缘问题， 而且随着电压等级的上升而呈指数 增加成本。再者， 绝缘的可靠性也是这类互感器的隐 患。目前解决方案之一是用光电和光纤技术对其进行 改造。常将电磁式电流互感器置于高压端 （如高于 ２２０ｋＶ）， 利用其感应信号调制半导体发光管， 由光纤将 载有调制信号的光强传送到地面控制室， 由光／电转换 器变换成电信号， 再经信号处理单元输出被测电流的 测 量 值［４］。 ２．２ 构成新型测试仪器
光纤传感技术是用光纤对某些物理量的敏感特 性，将外界物理量转换成可以直接测量的信号技术。仪 器仪表行业中， 光纤最早用于传光及传像。２０世纪７０年 代初生产出低损光纤后， 光纤在通信技术中用于长距 离传递信息。由于光纤不仅作为光波的传播媒质； 而且 光纤中传播光波时， 光波的特征参量（振幅、相位、偏振 态、波长等）会因外界因素（温度、压力、应变、磁 场 、电 场 、位 移 、转 动 等 ）间 接 或 直 接 地 发 生 变 化 ， 从 而 可 将 光 纤用作传感元件探测物理量， 其原理见图１。
利用先进的光电子和光纤传感技术对传统仪器进 行改造， 扩展功能， 使其具有实时、在线、遥测、联网等 先进性能。例如： （ １） 采用遮光式光码盘改造传统的指 针式仪表： 传统的盒式压力计、双金属温度计、腰轮流 量计、浮子式液位计等， 当与光纤传感技术相结合， 把 测量结果变成光信号再用光纤传至控制室， 就可利用 这些传统的仪表实现对现场诸参量在线、实时检测， 并 有安全好、精度高、可与计算机联网等优点， 在石油、化 工等易燃易爆行业具有广阔的应用前景［３］。（ ２） 采用光 纤和光纤器件改造传统的光谱仪器： 传统的光度计、光 谱仪等分析仪器， 当与光纤探头相结合， 并用光纤传输 测量结时， 就可使这类仪器成为一套具有实时、在线、 遥测功能的先进检测系统。例如： 光度计、光谱仪等分 析仪器以及计算机等数据处理系统在控制室， 而探测 用光纤探头在数十或数百米外的工作现场， 这类系统 在环境监测、化工生产领域可有广阔的应用前景。（ ３） 采用电／光和光／电转换技术， 以及光纤传输技术， 把传 统的电子式仪表改造成安全可靠的技术先进的光纤式 仪表： 光纤式大电流、高电压传感器是典型实例之一。
例如： （ １） 光纤陀螺。用于导航、石油、交通（高速列 车、自动驾驶）等行业的光纤陀螺［５、６、８］， 是一种新型角速 度敏感元件； 与传统的陀螺相比， 光纤陀螺无闭锁、易 于微型化， 可用于不同精度的应用场合， 保持较高的性 价比； 同时因其无惯性、动态范围宽、体积小、重量轻、 功耗小、灵敏度高、寿命长等优点， 它已成为新一代的 导航仪器（尤在军工领域）。（ ２） 光纤声纳。属于高灵敏 度的传感器， 是军方探潜的新一代声纳系统， 也用于海 上石油勘探和油田监测； 它是相位调制光纤传感器中 的重要类型， 主要优点是灵敏度高、频带宽、线性好、便 于构成传感网等。（ ３） 光纤多相流传感器： 多相流测量 是石油、化工、电力等行业的重要技术。它是多相流测 量中的一枝新秀。例如， 光纤多相流层析技术， 光纤气 液二相流的气泡检测技术等。基本原理是利用光纤端 面的全反射作用来检测光纤端面处是液相还是气相。 ２．３ 形成新的技术分支
参考文献
展， ２００４， ４１（３）： ３９～４１．
［１］ 王化祥， 张淑英．传感器原理及应用［Ｍ］．天津大学出版社，
［７］ Ｃ．Ｋ．Ｙ． Ｌｅｕｎｇ．Ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ： ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ［Ｊ］．ＮＤＴ＆Ｅ
随着我国经济的发展， 传感器的市场需求和发展 空间具有巨大潜力，《中国２０１０年远景规划》已将传感 器列为重点发展产业之一， 光纤传感器将有相当大的 比例。由于我国目前光纤传感器的产业化和应用方面 还远不能满足国民经济发展的需求， 因此加快和促进 光纤传感器的商品化、产业化进程， 无疑是今后发展的 主要方向。光纤传感器有着突出的优点， 但也存在急待 解决的问题 （ 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元器件的性能（ 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 元件的制作工艺及结构、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， 改善和补偿光纤传感 器的性能［１２］， 发展数字化、集成化、自动化、工程化的新 型光纤传感器， 研制适合网络化应用的光纤传感器阵 列和满足特殊测量要求的新型光纤传感器将是今后的 研究和发展趋势。
（ １） 光纤光栅传感网： 光纤光栅是最近几年发展 迅速的光纤无源器件， 它在光纤通信、光纤传感等领域 都有广阔的应用前景。光纤光栅是用光纤材料的光敏 性 （外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射 率的永久性变化） 在纤芯内形成空间相位光栅， 作用 实质是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射） 滤光器 或反射镜。利用这一特性可构成许多独特性能的光纤 无源器件和光纤传感器， 例如： 光纤激光器、光纤滤波 器、光纤波分复用器， 以及用于应力、应变、温度等参量 检 测 的 光 纤 传 感 器 和 各 种 （简 单 或 复 杂 的 ）光 纤 传 感 网 。目前已有采用光纤光栅测量应力、应变、温度等参量 以及构成光纤生物、化学传感器的许多报道， 主要内容 是如何提高灵敏度， 扩大动态范围。提高灵敏度的途 径， 包括改变包层材料， 改变光纤结构， 改变光纤成分 等。再者， 采用光纤光栅构成多参量传感器和光纤传感 网也是目前研究热点之一。
图１ 光纤传感器原理简图 根据光纤在传感器中的作用， 光纤传感器可分为
功能型、非功能型、拾光型三大类［１］ 。（ １） 功能型光纤
传感器： 光纤不仅作为导光媒质也是敏感元件， 光在光 纤内受被测量调制； 它的优点是结构紧凑、灵敏度高， 但它须用特殊光纤和先进的检测技术， 因此成本高。典 型例子， 如光纤陀螺等。（ ２） 非功能型光纤传感器： 光 纤仅起导光作用， 光照在非光纤型敏感元件上受被测 量调制； 因其无需特殊光纤及特殊技术， 易实现、成本 低， 但灵敏度也较低， 常用于灵敏度要求不太高的场 合。目前的光纤传感器大多是非功能型的。（ ３） 拾光型 光纤传感器： 采用光纤作为探头， 接收由被测对象辐射 的光或被其反射、散射的光。典型例子， 如光纤激光多 普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。 ２ 光纤传感器的促进作用 ２．１ 改造传统仪表产品
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４ 小结 通过对语音识别的研究， 借助ＶＣ＋＋开发出语音识别
系统， 在微机上模拟并完成系统调试。通过移植技术可 以在单片机上使用到语音识别和语音控制， 比如家电的 语音控制、智能玩具等， 从而提高设备的智能性和易用 性， 在现实生活中具有重大的意义和广阔的应用前景。
（ ２） 分布式光纤传感网： 分布式光纤传感器是指 以光纤为传感介质， 利用光波在光纤中传输的特性， 给 出沿光纤长度方向每一点的被测量值。这是光纤特有 的一种新型传感器， 它可给出大空间里温度或应力等 参量的分布值。例如， 一个２０ ｋｍ的分布式温度传感 器， 可给出２０ ｋｍ内每一点（例如每米或 每５ ｍ）的 温 度 值。构成分布式光纤传感器， 需要解决两个问题： 一是 传感元件能够给出被测量沿空间位置的连续变化值； 二是准确给出被测量的所在空间位置。对于前者， 可利 用 光 纤 中 的 传 输 损 耗 、模 耦 合 、传 播 的 相 位 差 、非 线 性 效应（ 例如光波的频移） 等给出连续分布的测量结果； 对于后者， 可利用光时域反射技术［１０、１１］、扫描干涉技术 等给出被测量的所在空间位置。
引言 光纤传感技术是随着光导纤维和光纤通信技术的
发展而形成的崭新技术。由于光纤传感具有抗电磁干 扰 能 力 强 、灵 敏 度 高 、电 绝 缘 性 好 、安 全 可 靠 、耐 腐 蚀 、 可构成光纤传感网等诸多优点， 它在航天、航海、石油 开采、电力传输、核工业、医疗、科学研究等众多领域均 有广阔的应用前景。光纤传感对检测技术和仪器仪表 等行业的促进作用可归纳为： （ １） 使传统产品现代化， 即利用先进的光纤传感和光电子技术改造传统产品， 使其具有更先进的性能。（ ２） 提供更新换代的产品， 更 好地满足现场使用的高要求。（ ３） 形成新的技术分支。 因此， 它对科学技术、工农业生产、国防建设的发展， 将 会产生巨大的影响。 １ 光纤传感器的原理
（ 收稿日期： ２００６－ ０５－ １０）
Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ Ｓｉｍｐｌｅ Ｓｐｅｅｃｈ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ
ＬFra Baidu bibliotek Ｎａ
〔Ａｂｓｔｒ ａｃｔ〕 Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｐｅｅｃｈ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ｔａｓｋｓ ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｌａｎｇｕａｇｅ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＶＣ＋＋， ａ ｓｉｇｎａｌ ｓｐｅｅｃｈ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｗｏｒｄｓ ａｎｄ ｉｓｏｌａｔｅｄ ｗｏｒｄ ａｒｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａ ｗｉｄｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｓｐｅｃｔ．
参考文献 ［１］ 美Ｌ．Ｒ拉宾纳， 李雪龙译．语音信号数字处理［Ｍ］．北京： 科学出版社，
１９８３． ［２］ 边肇祺， 张学工．模式识别［Ｍ］．北京： 清华大学出版社， ２０００． ［３］ 黄俊钦．随机信号处理［Ｍ］．北京： 北京航空航天大学出版社， １９８８． ［４］ 易克初， 田 斌， 傅 强．语音信号处理［Ｍ］．北京： 国防工业出版社， ２００１． ［５］ 丁元杰．单片机原理及应用［Ｍ］．北京： 机械工业出版社， １９９８．
第 ６ 期（总第 ９３ 期） Ｎｏ．６ （ＳＵＭ Ｎｏ．９３ ）
机械管理开发 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ ＡＮＤ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ
２００６ 年 １２ 月 Ｄｅｃ ． ２００６
光纤传感技术的研究现状与展望
肖 军１ 王 颖２
（ １．中北大学 山西 太原 ０３００５１； ２．河北大学 河北 保定 ０７１００１）
【摘 要】 介绍了光纤传感器的基本原理， 总结了光纤传感器对传统的仪器仪表工业的促进作用， 指出了光纤传感 器研究中存在的问题及发展趋势。 【关键词】 传感技术 光纤传感器 光纤光栅 光纤陀螺 【中图分类号】 ＴＰ２１２．１４ 【文献标识码】 Ｂ 【文章编号】 １００３－ ７７３Ｘ（ ２００６） ０６－ ００８０－ ０３
〔Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ〕 Ｓｐｅｅｃｈ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ Ｐａｔｔｅｒｎ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ Ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ Ｖｅｃｔｏｒ ｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎ
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（ ３） 用于智能材料和结构的光纤传感技术： 在材 料和结构的制造过程中， 将传感元件和驱动元件埋入 其中， 传感元件可对结构的状态参数（如应变、温度、损 伤程度等）进行实时测量； 驱动元件可对结构状态作必 要的调节或控制， 可保证结构安全运行并工作在最佳 状态。因为这种结构具有一定的“智能”， 故称为智能结 构［９］。 这 种 光 纤 传 感 器 由 于 具 有 体 积 小 、损 耗 低 、灵 敏 度高、抗电磁干扰、电绝缘性好、带宽大等优点， 可以同 时作为传感元件和传输媒质， 并实现多点或分布式测 量， 因而它是最有前途用于智能结构的传感技术， 也是 国内外目前研究热点之一。 ３ 结束语