探索与争鸣
Ｓ ｃ 科 ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ＆ 技 Ｔ ｅ ｃ ｈ 视 ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ 界 Ｖ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ
科技
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探索・ 争鸣
光纤传感器的发展综述
王 庆波 窦 超２
（ １ ． 唐山师范学院招生就业处 ， 河北 唐 山 ０ ６ ３ ０ ０ ０ ； ２ ． 唐山学院基础教学部 ， 河北 唐山 ０ ６ ３ ０ ０ ０ ）
光纤传感器 有不受射频和微 波的干扰 。 绝缘性好 等优点 ， 同时对 单模光纤上 ． 构成了一种 Ｍ — Ｚ干涉仪 ． 其温度和 力传感的灵敏度分别 因此 光纤温度 、 压力传感器被应 用于生物 为 １ ６ ． ４ ９ ｎ ｍ ／ ｏ Ｃ和一 １ ４ ． ５ ９ ５ ｎ ｒ ｒ ｄ Ｎ ２ ０ １ ４年 Ｗｅ ｎ — Ｈｕ ｉ Ｄ ｉ ｎ ｇ等人Ｉ 嗵 过在单 生物体有着 良好 的亲和性 ． Ｈ值测量 、 血液 流速测量 、 医用图像 传输等方面 。 模光纤尾端熔接－／ ｂ 段 光子 晶体光纤 ． 制成一种光纤 Ｆ — Ｐ型温度传感 医学 等领域的 Ｐ 器． 在２ ５到 ３ ０ ０ ￣ Ｃ范围内温度响应灵敏度达 到一 ０ ． Ｏ ｌ ｉ ｎ ｍ／ ｏ ｃ ４ 结 语 ２ ． ２ 光纤光栅传感器 随着科技 的不断进步 ． 综合 人类 发展的需求 ． 光纤传 感器在未来 根据光纤光栅周期 的长短 ． 将 光栅分为光纤布拉格光栅和长周期 几年有 以下几个发展趋势 ： １ ） 全 光纤微型化 ． 整个传感部 分仅由一根 光纤光栅 光纤 布拉格 光栅的光谱是向前传输的光与反射 回来的光 ． 光纤组成 。２ ） 实时化测量多个参量 ， 通过一个传感器实现多个参数的 即传输方向相反的模式 之间发生耦合 。 长周期光纤光栅 的光谱是 同向 同时测量 ， 并能消除交叉灵敏度 。 ３ ） 光纤传感器的智能化。 传感器形成 传输的纤芯基模 与包层 中的高 阶模之间的耦合 ．因而也叫透射光栅 分 布式 阵列 网格 ． 提高信息采集 的精确度和效率 ． 实 现无 线传输和远 光纤光栅 的布拉格波长 可以表示为 ， 有效 折射率 和栅格周期 Ａ受 程监测 。 可见 ． 光纤传感器有着更为广阔的应用前景 ． 需 要人们不断探 温度和应变的影响 ， 布拉格 波长会 随温度 Ａ ＆ ２ ｎ 和应变的变化产 生漂移 ， 这就是光纤光栅传感器 的原理 ２ ０ １ ０ 年． Ｙ ａ ｎ Ｆ ｅ ｎ ｇ 等人 制 作了光纤光栅温度传感器 ． 实验 表明在 【 参考文献 】 ３ ５ 到９ ５ 。 Ｃ的温度段 。温度响应灵敏 度为 ０ ． ０ ２ ｎ ｍ ／ ￣ Ｃ 。２ ０ １ ３ 年， ｘ ｉ ｎ ｐ ｕ ［ １ 惆 金龙． 新型光纤光栅技术 及其在光通信与光纤传感方面应用的 研究【 Ｄ 】 ． 厦 Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ 等人 利用多模光纤光栅多峰的特点 ， 解决 了在光纤传感领 域一 门： 厦 门大学． ２ ０ ０ ８ ： １ — １ １ ８ ． 直 困扰大家的温度 、 折射率等多物理量 的交叉敏感问题 ［ ２ ］ 张丽． 光子晶体光纤 传感器的传感 特性 研究［ Ｄ 】 ． 天 津： 天津理工大学， ２ ０ １ ４ ： １ —
【 摘 要】 光纤传感器件 因其具有重量轻、 体积小、 灵敏度 高、 抗 电磁干扰 、 易于复用形成分 布式测量等优点 ， 成 为传 感领 域研 究的热点之 本文介 绍了光纤传感器的发展概 况、 基本原理 、 分类、 最新研 究进展及应 用。 并指 出了光纤传 感器的 未来发展 趋势。 【 关键词 】 干 涉型光纤传感器； 光纤光栅传感 器； 光纤 Ｓ Ｐ Ｒ传感 器
一
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集中在纤芯 区域 ． 为保证 Ｓ Ｐ Ｒ效应 的产生 ， 无论 采用哪种方式 ， 都需 要去除其部分包层 ． 在纤芯表面镀上 金属薄膜 。 利用光在纤芯一 包层界 光纤通信与光纤传感技术 的研究始 于 ２ Ｏ 世纪 ６ Ｏ 年代 。 光纤 传感 面发生全内反射时产生的 Ｓ Ｐ Ｒ效应 ． 通过传输损 耗谱 的峰值变化来 技术是 以石英光纤或塑料光纤作 为信息 的传输媒介 ． 信号光作 为信息 分析待测样 品的参数变化 。 的载体 ， 利用外界环境 因素 的改变使得光在光纤 中传播的波长 、 光强 ２ ０世纪 ９ Ｏ年代 ， 新型光子 晶体 光纤 （ Ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ Ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ ， Ｐ Ｃ ｎ 及 相位等特征物理参量发生改变 ． 从 而对外界 因素进行传感测 量的技 旧 开始进入科研人员 的视野 。２ ０ ０ ６ 年， Ｈ ａ ｓ ｓ ａ ｎ ｉ 等人提 出了两种基 于 术… 。 Ｐ Ｃ Ｆ的 Ｓ Ｐ Ｒ传感器【 ８ Ｉ ． 在Ｐ Ｃ Ｆ的第二层 空气孔 内壁镀上金属膜 。空气 孑 Ｌ 中填充的待测液体与金属膜激发的表 面等离子体模式 发生耦合 ． 仿 １ 光纤 传 感 器 的 分 类
２ ． １ 干涉型光纤 如振动或温 度变化等引起１ ． 传感 ３ ． ２ 电力系统中的应用 光纤经过此处时的光波相位会发生变化 对传感光纤中的相干光进行 我 国地域广 阔 ， 各地地理环境 和温度差异很大 ． 光纤 电流传感器 相位调制 ． 检测段处就可 以观察到外界环境变化带来的干涉结果的变 和 电功率传感器形成阵列 网格排列 ． 对错综复杂的线路实现分布式监 化． 这就是干涉型光纤传感器 的＿ 丁作原理 目前最常用的干涉型光纤 控． 监测 电力传输网络中的温度 、 电压和电流等参数 ， 保证电力传输的 传感器有 ： 迈克尔逊（ Ｍ ｉ ｃ ｈ ｅ ｌ ｓ ｏ ｎ ） 干涉型光纤传 感器 、 马赫一 曾德（ Ｍ ａ ｔ ｈ — 稳定性 以及安全性 Ｚ ｅ ｈ ｎ ｄ ｅ ｒ ） 干 涉型光纤传感器 、 法 布里一 珀罗ｆ Ｆ ａ ｂ ｒ ｙ — Ｐ ｅ ｍ ｔ 干涉 型光纤传 ３ ． ３ 工业生产中的应用 感器 、 萨格纳克（ Ｓ ａ ｇ ｎ ａ ｃ ） 干涉型光纤传感器 光纤传感器 的耐水性 、 电绝缘性好 。 耐腐蚀 、 抗 电磁 干扰 ， 特别适 与传统光纤干涉仪传感器相 比。全光纤 Ｍ — ｚ干涉仪传感器 的结 合在易燃易爆及强电磁 干扰等恶劣环境下使用 。 因此可 以应用于煤矿 构更为简单 在同一根光纤上制作两个相隔一定距离 的光纤结构 ． 使 生产 中的井 下气 体浓度监测及油气井 开采 过程中油 、 水、 气等生产参 不 同模式之间形成干涉 ．构成光纤 内的 Ｍ — ｚ干涉仪 ．因不需要耦合 数 的动态检测 器， 具有制作简单 ， 成本低 ， 尺寸小 ． 灵敏度和稳定性高等显著 的优点 ． ４ 生物医学中的应用 ２ ０ １ ３ 年， Ｈ ｕ Ｈ ａ ｎ ｇ 等人Ｉ ’ 情 一段液体填充的光子 晶体 光纤 熔接到 ３
０ 绪 论
真结果表明这种传感器 的分辨率能达到 １ ０ － ￣ Ｒ Ｉ Ｕ 。 光纤传感器具有多种分类 方式 ． 根据传感原 理可分 为功能型传感 器和非功 能型传感器。功能型光纤传感器也 叫传感 型光纤传感器 ． 光 ３ 光纤传 感器 的应用 纤 直接作 为敏感元件 ；非功能型光纤传感器也 叫传光 型光纤 传感 器 。 由于具有体积小 、 质量轻 、 灵敏度高 、 耐腐蚀 、 电绝缘性好 、 抗 电磁 光纤只作 为传输光信号的媒介 ． 需要利用其 它的光 敏元 件来感 知外界 干扰等诸 多优 点 ． 光纤传感器 已经在很多领域被广泛应用。 环境的变化Ｉ 。 ３ ． １ 土木工程 中的应用 ２ 光 纤传 感 技 术 的 发展 光纤传感器能对钢筋混凝土结构进行 无损 伤实时监测 ． 因此 光纤