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1、文献综述报告光纤传感器综述 姓 名:姬应科学 院:理学院 专 业：光学工程 年 级：级 学 号：S 指引教师:刘双强 年 9月 24日光纤传感器综述摘要 光纤传感器是一种有广泛应用前景的新型传感器。本文对光纤传感器的原理、特点、分类和发展历程进行了具体综述，简介了光纤温度传感器、光纤陀螺仪这两种典型光纤传感器的应用，指出了此类光纤传感器在应用过程中存在的问题,并提出光纤传感器此后的发展趋势, 为光纤传感器的进一步研究提供了有益参照。核心词:光纤传感器 原理 特点 发展历程 发展趋势一、引言传感器在现代科技领域及实际应用中占有十分重要的地位，多种类型的传感器早已广泛应用于各个学科领域。近年来,传
2、感器朝着敏捷、精致、适应性强、智能化和网络化方向发展。光纤传感技术是20世纪70年代末新兴的一项技术，在全世界成了研究热门，已与光纤通信并驾齐驱。光纤传感器作为传感器家族的一名新成员,由于其优越的性能而备受青睐,其具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、敏捷度高、测量带宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等长处,优良的性能使得光纤传感器具有广泛的应用前景。本文从光纤传感器的基本原理及特点、光纤传感器的发展历程、光纤传感器的分类及应用原理、光纤传感器的应用及存在问题以及光纤传感器的发展趋势五大方面对光纤传感器进行简介。二、光纤传感器的基本原理及特点光纤（OptclFbr) 是光导纤维的简称,光纤
3、的重要成分为二氧化硅，由折射较高的纤芯、折射率较低的包层及保护层构成。纤芯为直径大概0. mm 左右的细玻璃丝，把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波构造。光纤传感器的发现来源于探测光纤外部扰动的实践,在实践中，人们发现当光纤受到外界环境的变化时,会引起光纤内部传播光波参数的变化,而这些变化与外界因素成一定规律，由此发展出光纤传感技术。.1基本原理图1是光纤传感器的原理构造图。光纤传感器一般由光源、传播光纤、传感元件或调制区、光检测等部分构成。众所周知，描述光波特性的参量诸多,如光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等,这些参量在光纤传播中都也许会受外界影响而发生变化,特别如温度、压力、振动、
4、弯曲以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时，都会使这些参量发生相应变化。光纤传感器就是运用这些参量随外界因素变化的关系来检测各相应物理量的大小2。图1 光纤传感器原理构造2.2 特点与老式的传感器不同，光纤优良的物理化学、机械以及传播性能,使光纤传感器具有一系列独特的长处。(1）敏捷度高：由于光是一种波长极短的电磁波，通过光的相位便得到其光学长度。以光纤干涉仪为例，由于所使用的光纤直径很小,受到微小的机械外力的作用或温度变化时其光学长度要发生变化,从而引起较大的相位变化。假设用0米的光纤,l的变化引起100ar的相位变化,若可以检测出的最小相位变化为0.01ard,那么所能测出的最小温度变化
5、为l0，可见其敏捷度之高。(2）抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全：由于光纤传感器是运用光波传播信息,而光纤是电绝缘、耐腐蚀的传播媒质，同步安全可靠,因此光纤传感器可以以便有效地用于多种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆的恶劣环境中。(3)测量速度快:光的传播速度快且能传送二维信息,因此可用于高速测量。当信号的分析具有极高的检测速率规定期,应用电子学的措施往往难以实现,此时运用光衍射现象的高速频谱分析便可解决问题。（4)信息容量大：被测信号以光波为载体，而光的频率极高，所容纳的频带很宽，且同一根光纤可以传播多路信号。(）合用于恶劣环境:光纤是一种电介质，耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰
6、，可用于其他传感器无法适应的恶劣环境中。 此外，光纤传感器还具有质量轻、体积小、可绕曲、测量对象广泛、复用性好、成本低等特点。三、光纤传感器的发展历程89年美国布朗大学的Menez等人一方面提出了将光纤传感器用于钢筋混凝土构造和建筑检测的也许性之后，美国，加拿大，英国,德国,日本,瑞士等国纷纷将光纤传感技术应用于桥梁等建筑物的安全监测;加拿大的Bedngt Trai大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一，16个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上，对桥梁构造进行长期监测4;近年来以加拿大渥太华大学和瑞士联邦工学院为代表的分布式布里渊光纤传感技术（BODA/BO
7、TDR)成为研究的热点5-,已广泛应用于石油管道市政工程电力电线等安全在线监测。0年代初国内开始了光纤传感技术的应用研究,清华大学，同济大学,重庆大学,哈尔滨工业大学,武汉理工大学等院校已对光纤光栅传感器应用于桥梁检测进行了大量研究，并进行了某些工程应用,获得了较好的效果，并且武汉理工大学在光纤光栅解调仪的研发上获得了很大成功-,其重要技术参数达到国际同类产品的水平;月同济大学主持的卢浦大桥健康检测项目中，采用了光纤光栅传感器用于检测大桥在多种状况下的应力应变和温度变化状况,该项成果还在东海大桥构造健康监测系统设计中得到了体现1;南京大学重要对布里渊光时域反射(TDR）技术的工程应用进行了大量
8、的研究工作，并在玄武湖隧道监测项目中获得了较好的效果;中国计量学院重要研发喇曼光时域反射RODR技术，目前产品已经在国内多家单位应用,其重要性能指标达到国际先进水平。四、光纤传感器的分类及应用原理41 分类光纤传感器是运用光在光纤中传播特性的变化来检测它所受到的环境变化,通过被测物理量的变化来调制波导中的光波，使光纤中的光波参量随被测物理量的变化而变化，从而求得被测信号的大小。根据调制区与光纤的关系,可将调制分为三大类。一类为功能型调制，调制区位于光纤内，外界信号通过直接变化光纤的某些传播特性参量对光波实行调制，又称传感型光纤传感器，运用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤（或特殊光纤）作传
9、感元件,将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，并且运用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下,其光强、相位、偏振态等光学特性的变化来实现“传”和“感”的功能。此外，传感器中光纤是持续的,由于光纤持续,增长其长度,可提高敏捷度。一类为非功能型调制，调制区在光纤之外,外界信号通过外加调制装置对进入光纤中的光波实行调制,又称为传光型光纤传感器，光纤仅作为传播光的介质,对外界信息的“感觉”功能是依托其他功能元件来完毕的。此类传感器中的光纤是不持续的，其间有中断,中断的部分要接上其她介质的敏感元件。调制器也许是光谱变化的敏感元件或其她敏感元件。光纤在传感器中仅起传光作用。传光型光纤传感器重
10、要运用已有的其她敏感材料,作为其敏感元件,这样可以运用既有的优质敏感元件来提高光纤传感器的敏捷度。传光型光纤传感器占据了光纤传感器的绝大多数。另一类为拾光型光纤传感器，该类传感器用光纤作为探头，接受由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其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。光纤传感器按被测对象,又可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等。光纤传感器所用光纤有单模光纤和多模光纤。单模光纤的芯径一般为5-1，很细的纤芯半径接近于光源波长的长度,仅能维持一种模式的传播,一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤；光强度调制型
11、或传光型光纤传感器多采用多模光纤为了获得合适的敏捷度,可将一般光纤增敏或者去敏,为了满足特殊需求还专门研制了保偏光纤、低双折射光纤、高双折射光纤等。光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。下面简介这几种光纤传感器的应用原理及其基本特点。4.2 应用原理42光强调制型2这是一种运用被测量的变化引起光纤中的光强发生变化的光纤传感器。可以引起光纤中光强发生变化的因素有: 变化光纤的微弯状态, 变化光纤对光波的吸取特性, 变化光纤包层的折射率。下面分别讨论运用以上三个因素制成的光强调制型光纤传感器的应用原理。(1）变化光纤
12、的微弯状态运用微弯效应制成的光纤位移传感器的原理如图2。它是运用多模光纤在受到弯曲时, 一部分纤芯模式能量会转化为包层模式能量这一原理，可通过测包层模式能量的变化来测量位移。例如: 运用这一原理制成的光纤报警器，其基本原理是光纤呈弯曲状织于地毯中，当有人站在地毯上时，地毯弯曲状加剧,引起光纤光强变化,产生报警信号。研制此类传感器的核心在于拟定变形器的最佳构造, 最佳构造一般通过实验拟定。图2光纤位移传感器的原理图（2）变化光纤对光波的吸取特性射线和射线会使光纤材料的吸取损耗增长，从而使光纤输出功率减小。运用这一原理可以制成光纤辐射传感器,用于核电站大范畴的监测。与此类似的尚有光纤紫外光传感器。
13、紫外光照射会使光纤激发荧光, 由荧光强弱探测紫外光强。这一类传感器的核心是要制作特殊光纤。()变化光纤包层的折射率 图是一种全内反射光纤传感器原理图。它的光纤端面的角度被磨成正好等于临界角。从纤芯输入的光将从端面全反射, 经反射镜再沿原路返回输出。当被测参量(折射率、浓度、温度等)发生变化时, 光纤端面包层的折射率也发生变化,全反射的条件被破坏， 因而输出光强下降。由此原理可制成光纤液体浓度传感器, 光纤折射率计等。图3 全内反射光纤传感器原理图4.2.相位调制型12 此类传感器的基本原理是运用被测参量对光学敏感元件的作用,使敏感元 件的折射率、传感常数或光强发生变化,从而使光的相位随被测参量
14、而变, 然后 用干涉仪进行解调，即可得到被测参量的信息。用以上原理制成的光纤干涉仪可测量地震波、水压、温度、加速度、电流、磁场等, 并可检测液体、气体的成分。此类光纤传感器的敏捷度很高, 传感对象广泛，但是需要特种光纤。图是 chelsn光纤干涉仪，它运用一种光纤定向耦合器构成双光束干涉仪，两光纤之一为参照臂, 另一为传感臂。被测参量的变化可直接引起干涉仪中传感臂光纤的长度和折射率发生变化, 从而引起光纤中光波相位的变化。若把磁致伸缩材料或压电材料固定在传感臂上， 则可运用它们对光纤引起的压力变化来测量弱磁场或弱电场。若在传感臂上镀上金属薄膜,则可运用电流的热效应来测量电 流。图4 ichel
15、on光纤干涉仪42.3偏振态调制型1 被测参量可使光纤中光波的偏振态发生变化, 检测该种变化的光纤传感器称为偏振态调制型。 最典型的是测量大电流用的光纤电流传感器。 基本原理是运用光纤材料的法拉第效应, 即光纤处在磁场中, 磁场使光纤中光波的偏振面 旋转,旋转角H与磁场强度H、磁场中光纤的长度满足: H=KH , 为光纤材料系数。由长直载流导线在周边空间产生的磁场 = /2PR,是光纤与载流导线间的垂直距离,则=KI2PR 只要测出H，L，R即可求出导线中的电流。图5为其原理图。这种测电流的措施测量范畴大、敏捷度高、与高压线无接触,使输入输出端实现了电绝缘。但是目前实际测量还存在某些问题，重要是受外界温度、压力变化等影响,光纤自身会产生双折射效应,从而引起测量误差。图光纤电流传感器原理五、光纤传感器的应用及存在问题2光纤传感器广泛应用于工业生产、医疗卫生、国防工程等重要部门,本文仅简介光纤传感器的两种典型应用状况, 突出了光纤传感器的长处和急待解决的问题。5.1光纤温度传感器及其应用温度是科学技术和工业生产中的最基本、最重要的物理量，温度的测量和控制非常重要。常用的温度检测措施诸多，如热
