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.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46武汉化工学院学报第26卷限低的局限,使用R .D ils [18]提出的黑体腔高温光纤测温方法,具有测温范围广,精度高和响应速度快等优点.传感头之所以选择蓝宝石(ΑA l 2O 3)是因为蓝宝石不仅具有单晶物理化学性能稳定、机械强度好、本质绝缘、耐腐蚀等特点,而且在波段范围内透光性好,熔点高达2045℃,是一种优良的近红外耐高温光学材料.使用蓝宝石为材料制作的高温光纤传感器最小测温范围为600～1800℃,在800℃以上时,灵敏度小于1℃,在1000℃以上时,可分辨温度小于1℃,具有高温优越性.基于以上的优点,可以预计它将在化工、能源、冶金等行业得到广泛的应用[18].2.2.3　光纤光栅传感器　光纤光栅是利用光纤中的光敏性(也称为光致折射率变化效应)制成的.光纤光栅的写入方法有很多种,主要有纵向驻波写入法、逐点写入法、横向干涉法、相位掩模法.后两种近年来使用较多.光纤光栅传感器,尤其是光纤B ragg 光栅传感器是近几年国内外在光纤传[19].光纤光栅实质上是一种波长选择反射器,它的反射信号的波长会受施于其上的温度和应变的影响而发生变化,这种反射波长的变化称之为波长位移.利用光纤光栅的温度和应变两种效应,即采用光纤光栅做敏感元件,可以检测许多物理量.如图2所示,光纤光栅在传感技术中应用前景十分广泛,尤其是利用光纤应变敏感性间接测量物理量方面大有发展潜力.图2　光纤光栅传感器的应用框图F ig .2　F iber grating sen so r’s app licati on 目前,对光纤光栅传感器的研究方向主要有三个方面:一是对具有高灵敏度、高分辨率,且能同时感测应变和温度变化的传感器研究;二是对光栅反射信号或透射信号分析和测试系统的研究.目标是开发低成本、小型化、可靠且灵敏的探测技术;三是光纤光栅传感器的实际应用研究,包括封装技术,温度补偿技术,传感器网络技术.常见的光纤光栅传感器有:基本光栅传感器,啁啾光栅传感器,长周期光栅传感器,B ragg 光栅传感器和多轴温度和应变光栅传感器[20～23].3　结　语光纤传感器作为一种优势明显的新型传感器不但在高、精、尖领域得到应用,而且在传统的工业领域被迅速推广;其本身产品也不断推层出新,显示出强大的生命力.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、土木工程、水利电力等各个领域显示其应用活力.参考文献:[1]　D avis C M .光纤传感器技术手册[M ].北京:电子工业出版社,1987.[2]　张志鹏,Gam b ling W A .光纤传感器原理[M ].北京:中国计量出版社,1991.[3]　李毛和,张美敦.用于海洋测量的化学和生物光纤传感器[J ].传感器技术学报,2000,(1):7477.[4]　何　俊,张　杰.荧光光纤传感器在医药学中的应用研究[J ].华西药学杂志,2000,15(6):448451.[5]　Hoge F E ,W righ t C W .A irbo rne b i oop tics s w rvyof the Galapago s is lands m argin s [J ].D eep SeaR easearch Part ,Top ical Studies in O ceanogra 2phy ,1998,45(6):10831093.[6]　曹照平,王社良,马胜利.光纤传感器在土木工程中的应用[J ].南京建筑工程学院学报,2000,(4):4750.[7]　M iguel J .Garcia ,Juan A .o rtega ,Juan A .Chavez ,Jo rdi Salazar ,et al .A N ovelD istribu ted F iber Op 2tic Strain Sen so r [J ].IEEE .T ran sacti on s on In 2strum en tati on and M easu rem en t ,2002,51(4):685689.[8]　H abel B ,H ufm an B .M on ito ring of p restressed con 2crete structu re w ith op tical fiber sen so rs [J ].SP IE ,1993,1919(1):2329.[9]　Chen Zhongyu ,Farhad A n sari .Em bedded F iber Op 2tic Sen so rs fo r D etecti on of A cou stic Em issi on s in Structu res [J ].光学学报,2000,20(8):10601063.[10]　冯青蕊,张慧萍,晏　雄,等.光纤传感器在复合材料研究中的应用[J ].玻璃钢 复合材料,2002,(1):3135.[11]　田领红.一种可用于军事领域上的压力光纤传感器[J ].传感器技术,2001,20(8):4648.56第2期杨春曦等:光纤传感器的应用及发展[12]　赵　勇,刘丽华.一种新型传感器在逆向工程中的应用[J].仪器仪表学报,2001,22(5):524526. [13]　Sonali Banerjee,Chung en Zah,R ajaram Bhat,etal.F iber Op tic Pho to lum inescence Setup fo r Spa2tially R eso lved M easu rem en ts[J].IEEE.T ran sac2ti on s on In strum en tati on and M easu rem en t,1999,48(1):4548.[14]　Tom asz R W o lin sk i,A lek sandra Jarmo lik,W o jtekJ Bock.D evelopm en t of F iber Op tic L iqu id C rystalSen so r fo r P ressu re M easu rem en t[J].IEEE.T ran sacti on s on In strum en tati on and M easu re2m en t,1999,48(1):25.[15]　Tom asz R W o lin sk,A ndrzejW Dom an sk i,W ito ldKonopka,et al.P ro to type F iber Op tic L iqu idC rystalline Sen so r fo r P ressu re M on ito ring[J].IEEE.T ran sacti on s on In strum en tati on and M ea2su rem en t,1999,48(3):684687.[16]　Gi ovann i Betta,A n ton i o P ietro san to.A n In trin sicF iber Op tic T emperatu re Sen so r[J].IEEE.T ran sacti on s on In strum en tati on and M easu re2m en t,2000,49(1):2528.[17]　Gi ovann i Betta,A n ton i o P ietro san to,A n ton i oScagli one.T emperratu re M easu rem en t by M u lti2fiber Op tical Sen so r[J].IEEE.T ran sacti on s onIn strum en tati on and M easu rem en t,2000,49(5):10041007.[18]　D ils R R.H igh temperatu re op tical fiber thermom eter[J].Jou rnal of A pp lied Physics,1983,54(3):11981203.[19]　王　洪,越泽廷,黄明德.蓝宝石高温光纤传感器研究[J].华南理工大学学报,2001,(6):4750. [20]　Cavaleiro P M,L obo R ibeiro A B.R eference T ech2n ique fo r In ten sify based Sen so rs U sing F iberB ragg Gratings[J].E lectron ics L etters,1995,31(5):392393.[21]　林钧岫,彭　伟.光纤布拉格光栅及其应用[J].光学技术,1999,(2):5053.[22]　戎小戈.光纤光栅的发展现状[J].广西物理,2001,(4):3134.[23]　尚丽平,张淑清,史锦珊.光纤光栅传感器的现状与发展[J].燕山大学学报,2001,(2):139143.Appl ica tion s and developm en t of f iber optic sen sorsY AN G Chun x i,HU Zhong gong,DA I Ke zhong(D epartm en t of E lectrical and Info rm ati on Engineering,W uhan In stitu te of Chem ical T echo logy,W uhan430073,Ch ina)Abstract:T he characteristics of fiber op tic sen so rs are si m p ly in troduced in th is p ap er.T he develop2 m en t as w ell as recen t research and app licati on of these sen so rs around the w o rld are summ arized.F i2 nally,the fu tu re and m ain research directi on of the sen so rs is described.Key words:fiber op tic sen so rs;app licati on;op tical fiber b ragg grating;tem p eratu re m easu rem en t本文编辑:陈晓苹66武汉化工学院学报第26卷。