光纤传感器的工程应用及发展趋势
摘要：对光纤传感器的应用概况进行了详细综述，总结比较了几种成熟的光纤传感器的优缺点。针对隧道的具体应用，提出了一套点面结合的综合技术解决方案。指出了目前光纤传感器在工程应用上急需解决的一些问题及其发展趋势。
关键词：光纤传感器；光纤光栅；安全监测
一．引言
近年来公路交通基础建设迅速发展，隧道和桥梁工程的建设规模大，环境条件复杂，建设速度快，所以对其长期运行的安全性必须进行在线监测，才能有效预防安全事故的发生，避免造成生命和财产的重大损失。公路隧道和桥梁的地质灾害不仅影响公路交通的安全，造成生命和财产的损失，而且影响经济的快速稳定发展。公路隧道和桥梁发生的灾害主要包括隧道局部的坍塌、渗漏以及火灾，桥梁局部裂缝、崩塌等。传感技术是这些工程安全监测的基础和支柱。而随着工程难度和环境条件日趋复杂，传统的传感技术已愈来愈显示出它的局限性，如抗干扰能力和抗恶劣环境能力差，长期稳定性差，难以实现现场非电、大容量、远程分布式、数字化监测等。光纤传感技术正是在这种背景下，自20世纪70年代初诞生以来，就受到了世界范围内的广泛重视，并取得了持续和快速的发展，成为这些大型工程安全监测的首选传感器。因此，近年来光纤传感器逐渐的代替了电阻应变片传感器，在大型土木工程中获得了广泛的应用[1-4]。
二．应用与发展概况
1989年美国布朗大学的Mendez 等人[5]首先提出了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测的可能性。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。加拿大卡尔加附近的Beddington Trail 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,对桥梁结构进行长期监测。1999 年夏, 在美国新墨西哥Las Cruces 10 号州际高速公路的一座钢结构桥梁上，安装了120 个光纤光栅传感器，创造了当时在一座桥梁上使用光纤光栅传感器最多的纪录。德国的GFZ Potsdam 开发的光纤光栅应变传感器用于探测岩石构成和岩石工程(包括隧道、洞穴、坑道、深层地基)的静态和动态应变，开发的光纤光栅地震成像系统用于地下煤矿坑道的安全监测等等。欧洲的STABILOS 计划中开发的光纤光栅传感系统用于对瑞士Mont-Terri 隧道和矿井主梁的长期静态位移监测等。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(BOTDA/BOTDR)成为研究的热点，广泛
应用于石油管道、市政工程、电力电线等安全在线监测。
90年代初，我国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，并进行了一些工程应用，取得了较好的效果。而且，武汉理工大学在光纤光栅解调仪的研发上取得了很大成功[6-8]，主要技术参数达到国际同类产品的水平。2003 年6 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，用于检测大桥在各种情况下的应力应变和温度变化情况。该项成果还在东海大桥结构健康监测系统设计中得到了体现[9]。南京大学主要对布里渊光时域反射(BOTDR)技术的工程应用进行了大量的工作，在玄武湖隧道监测项目中取得了较好的效果。石家庄铁道学院大型结构健康诊断与控制研究所在山西小沟特大桥健康监测中，使用FBG 应变传感器监测大桥的受力情况，并结合小沟桥自身特点,采用模态动能法,即挑选振幅较大的点或者模态动能较大的点来布设传感器，共布设73 个FBG 应变传感器，达到良好的监测效果[10]。中铁隧道集团采用光纤布喇格光栅传感技术对广州地铁五号线小北站暗挖区间
隧道进行了监测研究,包括监测设备比选、监测系统设计、传感器封装及保护、数据处理与分析。现场每个监测断面设计铺设6 个FBG 钢筋应力计传感器、2 个FBG 混凝土应变计和1 个FBG 温度传感器，所有传感器只敷设在拱顶和边墙上。研究表明FBG 传感技术用于地下工程的监测十分可行,为FBG 传感技术用于地下工程的监测提供重要参考[11]。北京科技大学和昆明理工大学以昆明白泥井3 号隧道为实例，提出FBG 传感器在隧道内的铺设方案及温度补偿技术。FBG 监测系统覆盖隧道的一段，共选取10 个断面按“Ω型”布置，进行绕拱变形监测，监测线路采用全面接着方法。经过对隧道进行8 个月的定期监测，分析结果表明，FBG 可准确地测出隧道的应变分布，将其应用于隧道变形监测中是可行和有效的，验证FBG 监测系统的可靠性。中国计量学院主要研发喇曼光时域反射（ROTDR）技术，目前产品已经在国内多家单位应用，主要性能指标达到国际先进水平。三．几种主要的光纤传感技术
应用于工程领域的光纤传感技术主要有光纤光栅（FBG）、瑞利散射光时域反射（OTDR）和喇曼光时域反射（ROTDR）、布里渊光时域反射（BOTDR）或布里渊光时域分析（BOTDA）。各种技术的性能特点的比较如表1 所示。
表1 几种光纤传感技术的性能特点
每种光纤传感技术的特点不同，适用于不同的监测对象。FBG 技术主要进行点式高精度监测,具有高速实时监测的性能,适用于桥梁、隧道的重点部位的监测，成本适中，但是其监测点数有限并存在盲区。瑞利OTDR 技术检测应变的精度很低，成本低，可实现分布式监测，适用于大应变范围的监测，比如滑坡等。最近发展的基于相干瑞利散射的相位敏感OTDR 技术，可适用于周界入侵以及振动的监测，精度高，成本较低，引起广泛重视[12]。ROTDR 技术主要用于分布式温度监测，成本适中，适用于建筑物的渗漏情况、火灾情况的监测。BOTDR/BOTDA 技术主要用于长距离分布式应力监测,成本高，可用于大中型建筑工程的长期稳定性监测,如大型堤防工程、桥梁、隧道等的整体情况的监测。
四．典型应用方案
点面结合的隧道安全监测系统的组成如图1 所示。 传感技术
FBG 瑞利OTDR ROTDR BOTDR/BOTDA 监测物理量
应变、温度 大应变 温度 应变、温度 精度
1με，0.10℃ 很低 1~20℃ 30με，3~50℃ 测量距离
1~10km 10~30km 10~50km 10~80km 测点数
数百点 分布式* 分布式* 分布式* 位置分辨率
点间距 1m 1~5m 1~5m 测量时间
小于1 秒 1 分钟 1~2 分钟 1~2 分钟 价格
传感器较贵， 检测仪较贵
光缆便宜， 检测仪便宜
光缆便宜， 检测仪较贵 光缆便宜， 检测仪昂贵 优点 精度高 价格低
分布式 分布式 缺点 监测点数有限 监测大应变 仅监测温度 系统昂贵
图1 隧道监测系统方案示意图
中央监控装置由PC 机和系统软件构成，是对整个子系统进行管理的监控平台。应变解调仪用来监测隧道的结构应力情况，而温度解调仪用来监测隧道内的渗漏情况和火灾情况。传感光纤沿隧道内壁布设，可以铺设多条传感光纤进行多种物理量的同时测量。温度传感系统采用分布式光纤喇曼温度解调仪。应力传感包括FBG 波长解调仪和BOTDR 分布式应力分析仪。隧道内结构应变的整体情况由BODTR 监测，局部重点部位的应变情况由FBG 传感系统监测，构建点面结合的全方位监测体系。监测系统每隔0.5-1 分钟可以显示隧道的安全信息。
五．急需解决的问题
（1）隧道和桥梁监测中的动态/ 静态测试技术主要针对隧道和桥梁在静态测试以及动态测试中的关键技术研究。
（2）光纤传感器的布设方式研究光纤传感器的布设方式直接影响监测的准确性，为此需要结合工程的具体环境条件，研究不同的布设方式对传感系统的影响。
（3）预警系统的软件开发对光纤传感器采集的数据进行处理分析，当隧道和桥梁内结构应变或者应变的变化速率超过设定值时，发出预警信号。
（4）研究自然环境变化对传感系统的影响比如暴雨、大风、爆晒、气温变化对传感系统的可靠性和准确性的影响。
以上这些问题的解决，无疑将大大推进光纤传感器的市场应用进程。六．发展趋势
（1）系统集成技术在一个安全监测工程中采用多种光纤传感技术，点面结合，获取被测对象的全面信息，从而有助于提高监测的准确性。
（2）组网技术将网络技术应用于多点式和分布式光纤传感器系统，组成新型的光纤传感测量网络，与因特网，无线网结合起来，组成智能传感通信网络技术。
（3）重大工程安全监测光纤传感系统工程模拟和仿真研究利用热、力学原理，根据实际工程，建立仿真模型，结合传感数据，进行模拟和仿真研究，以获
得最大着力点、最大热点和温度场、应力应变场分布，进一步获得最佳监测和预警方案。
七．结论
光纤传感技术经过20 多年的发展，解决了许多实际应用中的问题。光纤传感器在安全监测方面的应用研究已越来越引起人们的重视。近年来光纤传感器逐渐的代替了电阻应变片传感器，在大型土木工程中获得了广泛的应用，成为这些大型工程安全监测的首选传感器。光纤传感器在其今后的发展中，还有许多实际工程应用方面的问题急需解决，以实现光纤传感器的市场化应用。
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A．中国传感器整体市场规模分析与预测 中国“十三五”规划中正式启动了“中国制造2025”战略，力争到2025年由“制造业大国”成长为“制造业强国”。传感器与制造业息息相关，“中国制造2025”对传感器产品的智能化、信息化、网络化方向发展提出更高要求。MIR预计中国传感器市场必将获得更快的增长。（见表1、图1） 表1：中国传感器市场规模增长预期 图1：2013-2018年中国传感器市场规模 由MIR统计结果可以看出：2013-2014年，中国传感器市场一直在平稳增长。在2015年，由于中国工业大环境不景气，传感器市场增速有所放缓。但MIR预计随着“中国制造2025”战略的实施，传感器市场并将有所回温。 B．中国传感器整体市场分析-行业应用 根据MIR的统计结果显示，接近80%的传感器应用于OEM行业，在项目型行业和科研院所有20%左右的应用。（见表2）
表2：2015年中国传感器产品市场整体规模-行业 C．中国传感器整体市场分析-供应商 根据MIR的统计结果显示，外资品牌尤其是日系品牌占据了中国传感器市场的绝大部分市场份额。（见表3）
表3：2015年中国传感器产品市场整体规模供应商
D. 中国传感器整体市场分析-产品 根据MIR对中国传感器市场的调研结果来看，2015年中国传感器市场的产品中，编码器、光电传感器、光纤传感器依然是传感器市场的主流产品，占据了55%的市场份额。（见表4、图2） 表4：2015年中国传感器产品市场整体规模-产品 图2：2015年中国传感器产品市场整体规模-产品 E．产品市场细分 E1.编码器市场分析 中国编码器市场规中，HEIDENHAIN、TAMAGAWA以及禹衡占据了超过50%的市场份额。
2016-2021年中国光纤传感器市场深度调查分析及发展趋势研究报告 报告编号:1675509 行业市场研究属于企业战略研究范畴,作为当前应用最为广泛的咨询服务,其研究成果以报告形式呈现,通常包含以下内容:
一份专业的行业研究报告, 注重指导企业或投资者了解该行业整体发展态势及经济运行状况,旨在为企业或投资者提供方向性的思路和参考。 一份有价值的行业研究报告,可以完成对行业系统、完整的调研分析工作,使决策者在阅读完行业研究报告后,能够清楚地了解该行业市场现状和发展前景趋势,确保了决策方向的正确性和科学性。 中国产业调研网 https://www.doczj.com/doc/2018829150.html, 基于多年来对客户需求的深入了解, 全面系统地研究了该行业市场现状及发展前景, 注重信息的时效性, 从而更好地把握市场变化和行业发展趋势。 一、基本信息 报告名称:2016-2021年中国光纤传感器市场深度调查分析及发展趋势研究报告 报告编号:1675509←咨询时,请说明此编号。 优惠价:￥ 7650 元可开具增值税专用发票
网上阅 读:https://www.doczj.com/doc/2018829150.html,/R_JiXieDianZi/09/GuangXianChuanGanQiWeiLaiFaZhanQ uShi.html 温馨提示:如需英文、日文等其他语言版本,请与我们联系。 二、内容介绍 光纤传感器是以光学量转换为基础,以光信号为变换和传输的载体,利用光导纤维输送光信号的一种传感器。光纤传感器主要由光源、光导纤维、光检测器和附加装置等组成。光源种类很多, 常用光源有钨丝灯、激光器和发光二极管等。光纤很细、较柔软、可弯曲,是一种透明的能导光的纤维。 光纤之所以能进行光信息的传输,是因为利用了光学上的全反射原理,即入射角大于全反射的临界角的光都能在纤芯和包层的界面上发生全反射, 反射光仍以同样的角度向对面的界面入射,这样,光将在光纤的界面之间反复地发生全反射而进行传输。附加装置主要是一些机械部件,它随被测参数的种类和测量方法而变化。 《 2016-2021年中国光纤传感器市场深度调查分析及发展趋势研究报告》在多年光纤传感器行业研究的基础上,结合中国光纤传感器行业市场的发展现状,通过资深研究团队对光纤传感器市场资讯进行整理分析, 并依托国家权威数据资源和长期市场监测的数据库,对光纤传感器行业进行了全面、细致的调研分析。 中国产业调研网发布的《 2016-2021年中国光纤传感器市场深度调查分析及发展趋势研究报告》可以帮助投资者准确把握光纤传感器行业的市场现状,为投资者进行投资作出光纤传感器行业前景预判,挖掘光纤传感器行业投资价值,同时提出光纤传感器行业投资策略、营销策略等方面的建议。 正文目录 第一章光纤传感器产业概述 1.1 光纤传感器定义及产品技术参数
光纤传感技术的应用 在机械、电子仪器仪表、航天航空、石油、化工、生物医学、环保、电力、冶金、交通运输、轻纺、食品等国民经济各领域的生产过程自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警以及军事等方面有着广泛的应用。 1 光纤传感器的特征 光纤传感器系统按照在传感器中的作用分为两种类型：功能型和非功能型。功能型光纤传感器光纤不仅起传光作用，而且是敏感元件，非功能型光学传感器中，光纤不是敏感元件。描述光波特征的参量很多（如光强、波长、相位、振幅态和模式分布等），这些参量在光纤传输中都可能受外界影响而发生变化。如当温度、压力、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、弯曲、应变以及化学量和物理量等对光路产生影响时，均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。光纤传感器由光源、传输光纤、光电元件等部分组成。其中光源是光纤传感器的重要组成部件，目前常用的有白炽灯，激光器和发光二极管。光电元件多用半导体光电二极管。 与其它常规传感器相比，光纤传感器有如下特点： （1）高灵敏度，抗电磁干扰。由于光纤传感器检测系统不传送电信号，因此，光信号在中不会与电磁波发生作用，也不受任何电噪声的影响，由于这一特征，光纤传感器在电力系统的检测中得到了广泛应用。 （2）频带宽、动态范围大。 （3）可根据实际需要做成各种形状。 （4）可以用很近似的技术基础构成传感不同物理量的传感器，这些物理量包括声场、磁场、压力、温度、加速度、位移、液位、流量、电流、辐射等； （5）便于与计算机和光纤系统相连，易于实现系统的遥测和控制。 （6）结构简单、体积小、质量轻、耗能小。正由于它的这些优点，其应用领域非常广阔市场前景也比较广。 2 国内外光纤传感器的发展情况 美国是最早研制光纤传感器并投资最大的国家并且取得很大成就。从1977开始由美国海军研究所主持的光纤传感器系统共有5个公司参加，主要研究方向是水声器、磁强计和其它水下检测有关设备。1980年开始研究，1984年进行飞行实验的现代数字光纤控制系统（ADOSS），采用光纤译码的光纤传感器系统代替直升飞机驾驶员的控制，最终将实现用光纤液压传动系统代替电源。另外，光纤陀螺（FOG）计划、核辐射监控（NRM）计划、飞机发动机监控（AEM）计划、民用研究计划（CRP）使光纤传感器技术迅猛发展，在军事、民用、电力、监控、桥梁、医学生物检测等方面得到广泛应用。 3 光纤传感器的应用 光纤传感器的应用非常广泛，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活。在现代信息社会中，传感器技术迅猛发展，其中光纤传感器以其独特的优点应用非常广泛，包括工业、军事、医疗、通讯、过程控制以及恶劣环境下物理量的测量，如光纤传感器在石油领域中的应用、光纤传感器在军事领域的应用、光纤传感器在医学中的应用、光纤传感器在土木工程中的应用、光纤传感器在环境监控中的应用、光纤传感器在飞机上的应用、在电力系统上的应用、光纤传感器的发展动态与研究方面等。“中国2010年远景规划”已将传感器列为重点发展的产业之一，随着我国加入世界贸易组织，传感器的市场需求和发展空间的潜力是非常大的。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、水利电力等各个领域显示其应用活力。
波长调制型光纤温度传感器《光纤传感测试技术》 课程作业报告 提交时间：2011年10月27 日
1 研究背景 （执笔人： ） 被测场或参量与敏感光纤相互作用，引起光纤中传输光的波长改变，进而通过测量光波长的变化来确定北侧参量的传感方法即为波长调制型光纤传感器。 光纤光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器。基于光纤光栅的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长B λ的调制来获取传感信息，其数学表达式为： 2B eff n λ=Λ 式中：eff n 为纤芯的有效折射率；Λ是光栅周期。 这是一种波长调制型光纤温度传感器，它具有一下明显优势： （1）抗干扰能力强。由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感，具有很高的可靠性和稳定性。 （2）传感探头结构简单，体积小，重量轻，外形可变，适合埋入大型结构中测量结构内部的应力 、应变及结构损伤，稳定性、重复性好，适用于许多应用场合，尤其是智能材料和结构。 （3）测量结果具有良好的重复性。 （4）便于构成各种形式的光纤传感网络。 （5）可用于外界参量的绝对测量。 （6）光栅的写入技术已经较为成熟，便于形成规模生产。 （7）轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感。 由于以上优点，光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康检测以及能源化工等领域得到了广泛的应用。但是它也存在一些不足之处。因为光纤光栅传感的关键技术在于对波长漂移的检测，而目前对波长漂移的检测需要用较复杂的技术和较昂贵的仪器或光纤器件，需大功率的宽带光源或可调谐光源，其检测的分辨率和动态范围也受到一定的限制等。 光纤布拉格光栅无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为检测材
光纤传感器的应用与发展趋势 学生：王超 学号：1049721103105 专业：物理电子学 光在传输过程中，光纤易受到外界环境的影响，如温度、压力等，从而导致传输光的强度、相位、频率、偏振态等光波量发生变化，通过监测这些量的变化可以获得相应的物理量，这就是光纤传感技术。该技术是随着光纤及通信技术的发展而逐步发展起来的一门崭新技术。密集波分复用D W D M 技术、掺铒光纤放大器EDFA 技术和光时分复用OTDR 技术的不断发展成熟，使得光纤传感技术以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独一无二的优势，获得了飞速的发展，各种光纤传感器系统层出不穷。 光纤传感器系统的原理 由于光纤不仅作为光波的传播介质，而且光波在光纤中传播时，光波的特征参量( 振幅、相位、偏振、波长等) 会因外界因素（温度、压力、应变、电场、位移等）间接或直接的发生变化，从而可将光纤用作传感元件探测物理量。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、功能型光纤传感器中光纤不仅作为导光介质也是敏感元件，光在光纤内受到被测量物理量的调制。它的特点是结构紧凑、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。光纤陀螺即是典型的功能型光纤传感器。 2、非功能型光纤传感器中光纤仅起导光作用，光照到非光纤型敏感元件上受被测量物理量调制。因其无需特殊光纤及特殊技术，易实现、成本低，但灵敏度也相应较低，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该类型的。 3、拾光型光纤传感器中光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、 散射的光。如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。 光纤传感器的特点 由光纤传感器的原理我们可以很容易理解它有如下几个特点： （1 ）光纤具有宽波长范围、低衰减的特性，光源、检测器和光学元件的选择余地大，可以适用于不同的应用场合。
一文深度了解光纤传感器的应用场景 文| 传感器技术（WW_CGQJS）光纤传感器与测量技术是当今传感器技术领域新的发展引应用，其测量用的光纤传感器有很多种类，有很多种工作方式。国内市场上光纤传感器应用主要在以下四种：光纤陀螺、光纤光栅传感器、光纤电流传感器和光纤水听器。下面对这四种产品分别介绍一下。光纤传感器应用种类一、光纤陀螺。 光纤陀螺按原理可分为干涉型、谐振型和布里渊型，这是三代光纤陀螺的代表。第一代干涉型光纤陀螺，目前该项技术已经成熟，适合进行批量生产和商品化；第二代谐振型光纤陀螺，暂时还处于实验室研究向实用化推进的发展阶段；第三代布里渊型，它还处于理论研究阶段。 光纤陀螺结构根据所采用的光学元件有三种实现方法：小型分立元件系统、全光纤系统和集成光学元件系统。目前分立光学元件技术已经基本退出，全光纤系统用在开环低精度、低成本的光纤陀螺中，集成光学器件陀螺由于其工艺简单、总体重复性好、成本低，所以在高精度光纤陀螺很受欢迎，是其主要实现方法。 二、光纤光栅传感器 目前国内外传感器领域的研究热点之一光纤布拉格光栅传感器。传统光纤传感器基本上可分为两种类型：光强型和干
涉型。光强型传感器的缺点在于光源不稳定，而且光纤损耗和探测器容易老化；干涉型传感器由于要求两路干涉光的光强同等，所以需要固定参考点而导致应用不方便。 目前开发的以光纤布拉格光栅为主的光纤光栅传感器可以避免出现上面两种情况，其传感信号为波长调制、复用能力强。在建筑健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等应用中，光纤光栅传感器是最理想的灵敏元件。光纤光栅传感器在地球动力学、航天器、电力工业和化学传感中有广泛的应用。三、光纤电流传感器 电力工业的迅猛发展带动电力传输系统容量不断增加，运行电压等级也越来越高，电流也越来越大，这样测量起来就非常困难，这就显现出光纤电流传感器的优点了。在电力系统中，传统的用来测量电流的传感器是以电磁感应为基础，这就存在以下缺点：它容易爆炸以至引起灾难性事故；大故障电流会造成铁芯磁饱和；铁芯发生共振效应；频率响应慢；测量精度低；信号易受干扰；体积重量大、价格昂贵等等，已经很难满足新一代数字电力网的发展需要。这个时候光纤电流传感器应运而生。 四、光纤水听器 光纤水听器主要用来测量水下声信号，它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号转换为光信号，并通过光纤传至信号处理系统进行识别。与传统水听器相比，光纤水听器具有
光纤通信技术现状综述 信息工程学院通信工程赵爱杰20092420253 导读 概述 主要技术 相干光通信技术 概念 关键技术 主要优势 光孤子通信技术 概念 关键技术 主要优势 全光通信网 概念 关键技术 主要优势 总结 参考网站 概述 光纤通信，顾名思义，就是利用光导纤维传导经过调制而携带信息的光信号，实现信息传递的通信方式。光纤通信技术发展历史并不长，1966年高锟发表论文《Dielectric-Fibre surface waveguides for optical frequencies》奠定了光纤技术进入实用的里程碑。经过短短几十年发展，现在光纤技术已经以其突出优势在通信领域得到了广泛应用。 光纤技术相比其他通信技术，具有其无与伦比的优越性，其中最突出的就是其超大容量：理论上讲，一根头发丝粗细的光纤可同时传输1000亿个话路，虽然目前如此高的传输量仍未达到，但相比明线、双绞线、同轴电缆、无线信道这些传统传输介质，其传输能力仍然高出几十甚至上千倍，而把若干根光纤聚集成光缆的传输信息量就可想而知了。所以可以预见，当下乃至未来若干年的信息爆炸时代，光纤通信将逐步成为信息传输的主流技术。 其次，光纤技术还有很多传统传输技术无法比拟的有点，如传输距离长、保密性能好、适应能力强、抗干扰性好、体积小重量轻，便于施工维护、制造原料来源广，生产成本低廉等。 主要技术 目前光纤通信的主要技术有：相干光通信技术，光孤子通信技术，全光通信
网等，下面注意作简要介绍： 相干光通信技术： 所谓相干光技术就是在光通信中使用相干调制和外差检测技术。所谓相干调制，就是利用传输信号来控制光载波的频率、相位和幅度。外差检测，就是利用一束本机振荡产生的激光与输入信号在光混频器中进行混频，得到与信号光频率、相位和幅度按相同规律变化的中频信号的技术。 在发送端，采用外调制方式将信号调制到光载波上传输，当信号光到达接收端时，首先与一束本振光信号进行相干耦合，然后由平衡接收机进行探测。相干光通信根据本振光频率与信号光频率不等或相等，可分为外差检测和零差检测。前者光信号经光电转换后获得的是中频信号，还需要二次解调才能被转换成基带信号。后者光信号经光电转换后被直接转换成基带信号，不用二次解调，但它要求本振光频率与信号光频率严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。 关键技术： 1）外光调制技术，光调制是根据某些电光或声光晶体的光波传输特性随电压或声压等外界因素的变化而变化的物理现象而提出的。外光调制器主要包括三种：利用电光效应制成的电光调制器、利用声光效应制成的声光调制器和利用磁光效应制成的磁光调制器。采用以上外调制器，可以完成对光载波的振幅、频率和相位的调制。 2）偏振保持技术，在相干光通信中，相干探测要求信号光束与本振光束必须有相同的偏振方向，才能获得相干接收所能提供的高灵敏度，所以在相干光通信中应采取光波偏振稳定措施。主要有两种方法：一是采用“保偏光纤”使光波在传输过程中保持光波的偏振态不变；二是使用普通单模光纤，在接收端采用偏振分集技术，信号光与本振光混合后首先分成两路作为平衡接收，对每一路信号又采用偏振分束镜分成正交偏振的两路信号分别检测，然后进行平方求和，最后对两路平衡接收信号进行判决，选择较好的一路作为输出信号。 3）频率稳定技术，激光器稳频技术主要有三种，(1)将激光器的频率稳定在某种原子或分子的谐振频率上。在1.5μm波长上，已经利用氨、氪等气体分子实现了对半导体激光器的频率稳定；(2) 利用光生伏特效应、锁相环技术、主激光器调频边带的方法实现稳频；(3)利用半导体激光器工作温度的自动控制、注入电流的自动控制等方法实现稳频。 相干光通信技术相对于传统的光强度调制有突出有点： 1）灵敏度高，中继距离长，相干光通信的一个最主要优点是相干检测能改善接收机的灵敏度。相同条件下，相干接收机比普通接收机灵敏度高20dB，可以达到接近散粒噪声极限的高性能，因此也增加了光信号的无中继传输距离。 2）选择性好，通信容量大，相干光通信提高了接收机的选择性，在直接检测中，接收波段较大，为抑制噪声干扰，探测器通常需要放置窄带滤光片，但其频带仍然很宽。在相干外差探测中，探测的是信号光和本振光的混频光，因此只有在中频频带内的噪声才能进入系统，而其他噪声均被带宽较窄的微波中频放大器滤除。可见，外差探测有良好的滤波性能。此外，由于相干检测优良的波长选择性，相干接收机可以使频分复用系统的频率间隔大大缩小，从而实现密集波分复用，具有以频分复用实现更高传输速率的潜在优势。
传感器应用的发展现状与研究趋势 1 引言 随着工业数字化、智能化发展，传感器在机械加工，温度监测，可穿戴设备、智能家居、智慧交通中得到了广泛的应用。传感器技术水平在一定程度上反映了一个国家科技现代化的水平，传感器在实现自动化控制及测试控制中发挥着重要的作用。传感器技术在近些年来发展迅速，与计算机技术和通信技术一起被称为信息技术的三大支柱，近年来，我国传感器市场发展比较迅猛，但是我国传感器技术并不成熟，在国际竞争中并不占优势，传感器市场被德国、美国、日本等工业国家所主导。根据传感器技术的发展趋势，它将由简单的传感器系统向智能化、集成化、微型化、网络化、多样化的复杂传感器系统方向发展。近年来我国传感器产业快速增长，应用模式也日渐成熟。传感器的重要性可说是不言而喻的，它在机械加工，可穿戴设备、智能家居、智能交通等各个领域都有着极为重要的应用。传感器在智能可穿戴设备、智能家居和智能交通的最新应用，以及目前传感器的市场前景、现代科技中，自动化与智能化己经成为新的发展方向，传感器作为自动测量与控制中的关键环节，在社会的生产生活中应用十分广泛，且具有巨大的发展空间[1-3]。 1 传感器的研究现状 1.1 光电传感器技术 光电式传感器是以光为测量媒介、以光电器件为转换元件的传感器，它具有非接触、响应快、性能可靠等卓越特性。随着光电科技的飞速发展，光电传感器己成为光电传感器己成为各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，并在传感器应用中占据着重要的地位，其中在非接触式测量领域更是扮演者无法替代的角色。光电传感器工作时，光电器件负责将光能(红外辐射、可见光及紫外辐射)信号转换为电学信号。光电器件不仅结构简单，且具有响应快、可靠性强等优势，在自动控制、智能化控制等方面应用前景十分广阔。此外，光电传感器除了对光学信号进行测量，还能够对引起光源变化的构件或其它被测量进行信息捕捉，再通过电路对转换的电学信号进行放大和输出[4]。 1.2生物传感器技术 生物传感器的原理主要由两大部分组成:生物功能物质的分子识别部分和转换部分前者的作用是识别被测物质，当生物传感器的敏感膜与被测物接触时，敏感膜上的某种生化活性物质就会从众多化合物中挑选适合于自己的分子并与之产生作用，使其具有选择识别的能九转换部分，是由于细胞膜受体与外界发生了共价结合，通过细胞膜的通透性改变，诱发了一系列的电化学过程，而这种变换得以把生物功能物质的分子识别转换为电信号，形成了生物传感器[5]。 1.3气敏传感器技术 气体传感器是指将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。被测气体的种类
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
光纤传感器的工程应用及发展趋势 摘要：对光纤传感器的应用概况进行了详细综述，总结比较了几种成熟的光纤传感器的优缺点。针对隧道的具体应用，提出了一套点面结合的综合技术解决方案。指出了目前光纤传感器在工程应用上急需解决的一些问题及其发展趋势。 关键词：光纤传感器；光纤光栅；安全监测 一．引言 近年来公路交通基础建设迅速发展，隧道和桥梁工程的建设规模大，环境条件复杂，建设速度快，所以对其长期运行的安全性必须进行在线监测，才能有效预防安全事故的发生，避免造成生命和财产的重大损失。公路隧道和桥梁的地质灾害不仅影响公路交通的安全，造成生命和财产的损失，而且影响经济的快速稳定发展。公路隧道和桥梁发生的灾害主要包括隧道局部的坍塌、渗漏以及火灾，桥梁局部裂缝、崩塌等。传感技术是这些工程安全监测的基础和支柱。而随着工程难度和环境条件日趋复杂，传统的传感技术已愈来愈显示出它的局限性，如抗干扰能力和抗恶劣环境能力差，长期稳定性差，难以实现现场非电、大容量、远程分布式、数字化监测等。光纤传感技术正是在这种背景下，自20世纪70年代初诞生以来，就受到了世界范围内的广泛重视，并取得了持续和快速的发展，成为这些大型工程安全监测的首选传感器。因此，近年来光纤传感器逐渐的代替了电阻应变片传感器，在大型土木工程中获得了广泛的应用[1-4]。 二．应用与发展概况 1989年美国布朗大学的Mendez 等人[5]首先提出了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测的可能性。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。加拿大卡尔加附近的Beddington Trail 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,对桥梁结构进行长期监测。1999 年夏, 在美国新墨西哥Las Cruces 10 号州际高速公路的一座钢结构桥梁上，安装了120 个光纤光栅传感器，创造了当时在一座桥梁上使用光纤光栅传感器最多的纪录。德国的GFZ Potsdam 开发的光纤光栅应变传感器用于探测岩石构成和岩石工程(包括隧道、洞穴、坑道、深层地基)的静态和动态应变，开发的光纤光栅地震成像系统用于地下煤矿坑道的安全监测等等。欧洲的STABILOS 计划中开发的光纤光栅传感系统用于对瑞士Mont-Terri 隧道和矿井主梁的长期静态位移监测等。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(BOTDA/BOTDR)成为研究的热点，广泛
光纤传感器的应用研 究
光纤传感器的应用研究 孙义才 2011301510103 电科三班 摘要：光纤传感技术是一门新的科学技术，也是信息社会的一个重要技术基础，在当代高科技中占有十分重要的位置。该技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术和密集型前沿技术。本课题主要了解光纤导光的基本原理及其在传感技术上应用的物理基础，重点研究光纤传感器敏感的物理量、光纤传感器的基本类型及其相关应用。 关键词：传感器；光纤通信；禁带宽度；光纤传感温度计；光纤传感压强计。 1.序言 光纤传感技术是二十世纪七十年代左右随着光纤通信技术的萌芽而迅速建立起来的，通过以光波这一载体并光纤这一媒质，起到具有感知与信号传输的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。传感技术是近几年热门的应用技术，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智慧化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。 现阶段，光纤传感领域在世界中的发展大致分为两大方面：应用开发与相关原理性研究。 2.1光纤传感器的结构原理 以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。 可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。
光纤传感器市场调研报告 导读：本文是关于光纤传感器市场调研报告，希望能帮助到您！ 纤传感器的分类 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，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环境的变化。 纤传感技术的发展 型光纤传感器 当环境介质的折射率发生变化（如振动或温度变化等引起），传感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化，这就是干涉型光纤传感器的工作原理。目前最常用的干涉型光纤传感器有：迈克尔逊（Michelson）干涉型光纤传感器、马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉型光纤传感器、法布里-珀罗（Fabry-Perot干涉型光纤传感器、萨格纳克（Sagnac）干涉型光纤传感器。 与传统光纤干涉仪传感器相比，全光纤M-Z干涉x传感器的结构更为简单。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。 HuLiang等人[一段液体填充的光子晶体光纤熔接到单模光纤上，构成了一种M-Z干涉仪，其温度和力传感的灵敏度分别为m/°C和-nm/N。HuiDing等人[过在单模光纤尾端熔接一小段光子晶体光纤，制成一种光纤F-P型温度传感器，在°C范围内温度响应灵敏度达到-/°C。 光纤光栅传感器 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，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。光纤光栅的布拉格波长可以表示为，有效折射率neff和栅格周期？撰受温度和应变的影响，布拉格波长会随温度？姿Beagg=ff？撰和应变的变化产生漂移，这就是光纤光栅传感器的原理 YanFeng等人[作了光纤光栅温度传感器，实验表明在度段，温度响应灵敏度为°C。XinpuZhang等人[用多模光纤光栅多峰的特点，解决了在光纤传感领域一直困扰大家的温度、折射率等多物理量的交叉敏感问题。 光纤SPR传感器 光纤表面等离子体共振（SurfacePlasmonResonance，SPR）传感器是一种将光纤作为激发SPR效应基体的新型传感器。传统光纤SPR传感方式主要有在线传输式和终端反射式，光纤传输模
光纤传感器的应用与展望
光纤传感器的应用与展望 计算机与信息技术 摘要：介绍了光纤传感器的种类及其工作原理，总结了光纤传感技术在农业、医学、军事，及光纤传感器未来的应用与展望。 关键词：光纤传感器农业医学军事应用 背景 近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。在农业、军事、航空领域有着很大的应用。 1.光纤传感器的种类 光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传感器; 另一类是非功能型（传光型）传感器。按光在光纤中被调制的原理不同，光纤传感器可分为：强度调制型、相位调制型、偏振态调制型、频率调制型、波长调制型等。迄令为止，光纤传感器能够测定的物理量已达七十多种。 1.1功能型（传感型）传感器 功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件, 被测量对光纤内传输的光进行调制, 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化, 再通过对被调制过的信号进行解调, 从而得出被测信号。光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。 1.2非功能型（传光型）传感器 非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化, 光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术；比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。 2.光纤传感器的原理 光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。其基本原理是将光源的光经入射光纤送人调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。
光纤传感技术是伴随光通信的迅速发展而形成的新技术。在光通信系统中，光纤是光波信号长距离传输的媒质。当光波在光纤中传输时，表征光波的相位、频率、振幅、偏振态等特征参量，会因温度、压力、磁场、电场等外界因素的作用而发生变化，故可以将光纤用作传感器元件，探测导致光波信号变化的各种物理量的大小，达就是光纤传感器。利用外界因素引起光纤相位变化来探测物理量的装置，称为相位调制传感型光纤传感器，其他还有振幅调制传感型、偏振态调制型、传光型等各种光纤传感器。 与其他传感器相比，光纤传感器的特点是：抑抗电磁干扰，电绝缘性能好，耐腐蚀，安全可靠。因此可用于强电磁干扰，燃易爆，强腐蚀等环境中。灵敏度高、重丝轻、体积小、光路可变等。光纤传感器测温技术是近年才发展起来的新技术，并已逐渐显露出某些优异特性。可是，正象其他新技术一样，光纤传感器技术并不是万能的，它不是用来代替传统方法，而是对传统测温方法的补充与提高。充分发挥它的特长，就能创造出新的测温方案与技术应用的场合。 光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展的一种新的传感技术。是20世纪70年代中期以来国际上发展最快的高科技应用技术。光纤传感器与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。以其独有的特质而得以广泛应用，不难看出光纤传感器未来将会有较广阔的应用前景。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解相关传感器产品的选型，报价，采购，参数，图片，批发等信息，请关注艾驰商城。https://www.doczj.com/doc/2018829150.html,/
文章编号:100320794(2004)0820009202 光纤传感器的应用和发展 马天兵,杜 菲 (安徽理工大学,安徽淮南232001) 摘要:主要阐述了光纤传感器的原理、特点及国内外的发展情况,介绍了在实际测量中的一些具体应用。提出了我国光纤传感器存在的问题,指出了今后发展的方向,为光纤传感器的深入研究提供了有益的参考。 关键词:光纤传感器;测量精度;传感技术 中图号:T N253文献标识码:A 1 前言 自20世纪70年代以来,光纤传感器取得了飞速发展。由于它独特的优点,决定了可实现某些特殊条件下的测量工作,比常规检测技术具有诸多优势,是传感技术发展的一个主导方向。光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势。光纤传感器产业已被国内外公认为最具有发展前途的高新技术产业之一,它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。 2 光纤传感器的原理 光纤传感器通常由光源、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,特别如温度、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,都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。 光纤传感器与传统传感器相比有其独特的优点,即非接触式测量、抗干扰力强、灵敏度高、体积小、重量轻、柔性好,而且测量对象广泛。因此,在传感器行业中,光纤传感器越来越显示出它的优势。它将替代传统的机械接触式传感器及电容非接触式传感器。机械接触式传感器磨损被测表面,这就限制了测量精度。电容非接触式传感器的抗电磁干扰力差,使得其实用范围受到限制。 3 国内外光纤传感器的发展概况 由于光纤传感器应用的广泛性及其广阔的市场,其研究和开发在世界范围内引起了高度的重视,各国家更是竟相研究开发并引起激烈的竞争。 美国是研究光纤传感器起步最早、水平最高的国家,在军事和民用领域的应用方面,其进展都十分迅速。在军事应用方面,研究和开发主要包括:水下探测的光纤传感器、用于航空监测的光纤传感器、光纤陀螺、用于核辐射检测的光纤传感器等。这些研究都分别由美国空军、海军、陆军和国家宇航局(NAS A)的有关部门负责,并得到许多大公司的资助。美国也是最早将光纤传感器用于民用领域的国家。如运用光纤传感器监测电力系统的电流、电压、温度等重要参数,监测桥梁和重要建筑物的应力变化,检测肉类和食品的细菌和病毒等。日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光纤传感器的研究与开发。日本在20世纪80年代便制定了“光控系统应用计划”,该计划旨在将光纤传感器用于大型电厂,以解决强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中的信息测量、传输和生产过程的控制。20世纪90年代,由东芝、日本电气等15家公司和研究机构,研究开发出12种具有一流水平的民用光纤传感器。西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光纤传感器的研发和市场竞争,其中包括英国的标准电讯公司、法国的汤姆逊公司和德国的西门子公司等。 我国在20世纪70年代末就开始了光纤传感器的研究,其起步时间与国际相差不远。目前,已有上百个单位在这一领域开展工作,如清华大学、华中理工大学、武汉理工大学、重庆大学、核工业总公司九院、电子工业部1426所等。他们在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移计等领域进行了大量的研究,取得了上百项科研成果,其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值,有的达到世界先进水平。每年发表的论文、申请的专利也不少。但与发达国家相比,我国的研究水平还有不小的差距,主要表现在商品化和产业化方面,大多数品种仍处于实验室研制阶段,不能投入批量生产和工程化应用。 4 光纤传感器的应用 光纤传感器的应用范围很广,几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活,尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用,解决了许多行业多年 ? 9 ? 2004年第8期 煤 矿 机 械
２００8年9月中国医学物理学杂志Sep ．,２００8 第２5卷第5期 ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｄｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．25．Ｎｏ．5 光纤传感器的基本原理及在医学上的应用 孙素梅1，陈洪耀2，3，尹国盛2（1.漯河医学高等专科学校，河南漯河462000；2.河南大学物理与电子学院，河南开封 475004；3.中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽合肥230031） 摘要：目的：本文的目的简要介绍光纤传感器的基本原理和简单分类，重点阐述传光型光纤传感器在医学的压力、流速、ｐＨ值等五方面的应用。方法：光纤传感器基本原理是将光源发出的光经光纤送入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的强度、频率、相位、偏振等发生变化成为被调制的信号光，再经光纤送入光探测器、解调器而获得被测物理量。光纤传感器按其传感原理可分为两大类：一类是传光型传感器，另一类是传感型传感器。结果：目前在医学上应用的主要是传光型光纤传感器。光纤传感器主要优点：小巧、绝缘、不受射频和微波干扰、测量精度高。医疗上的图象传输是传输型光纤传感器应用中很有特色的一部分。只需将许多光纤组成光纤束，就可以做成能有效地使图象空间量子化的传感器。自从光导纤维引入到内窥镜以后，扩大了内窥镜的应用范围。光导纤维柔软、自由度大、传输图象失真小、直径细等优点使得各种内窥镜检查人体的各个部位几乎都是可行的，且操作中不会引起病人的痛苦与不适。其中光纤血管镜已应用于人类的心导管检查中。在进行激光血管成形术时，血管镜可提供很多重要的信息，用以引导激光辐射的方向，选择激光的能量和持续时间，并可了解在成形术后的治疗效果。光纤内窥镜不仅用于诊断，也正进入治疗领域中，例如用于做息肉切除手术等。微波加温治疗技术是当前治疗癌症的有效途径，但微波加温治疗癌症技术的温度难以控制，而光纤温度传感器恰可以对微波加温治疗癌症的有效温度进行监测，从而使温度不致于过高杀死人体的正常细胞，也不会过低达不到治疗目的，使癌细胞进一步扩散。光纤温度传感器在癌症治疗方面的研究和开发正日益兴起。结论：光纤传感器作为一种优势明显的新型传感器在医学领域得到应用，为治疗疾病提供了一种崭新的方法。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会进一步推动医学的飞速发展。 关键词：光纤传感器；测量；医学；应用中图分类号：Ｒ３１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：1005-202X （2008）05-0846-05 The Basic Principle and Applications on Medical of Fiber Optic Sensors ＳＵＮＳｕ－ｍｅｉ１，ＣＨＥＮＨｏｎｇ－ｙａｏ２，３，ＹＩＮＧｕｏ－ｓｈｅｎｇ２ （１．ＬｕｏｈｅＭｅｄｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅ，ＬｕｏｈｅＨｅ＇ｎａｎ４６２０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｉｎａＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｏｌｌｅｇｅ，Ｈｅ＇ｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＫａｉｆｅｎｇＨｅ＇ｎａｎ４７５００４，Ｃｈｉｎａ；３．ＴｈｅＡｎ＇ｈｕｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＴｈｅＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＨｅｆｅｉＡｎｈｕｉ２３００３１，Ｃｈｉｎａ） Abstract:Objective:Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｓｉｍｐｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｏｎｍｅｄｉｃａｌｉｎｂｌｏｏｄｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅｓｐｅｅｄｏｆｆｌｏｗ，ｔｈｅｐＨｖａｌｕｅｅｔｃ．Method:Ｔｈｅｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｉｓｔｈｅｌｉｇｈｔｗｈｉｃｈｓｅｎｄｓｏｕｔｔｈｅｐｈｏｔｏｓｏｕｒｃｅｓｅｎｄｓｉｎａｆｔｅｒｔｈｅｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｒｅａ，ｉｎｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｒｅａ，ｔｈｅｏｕｔｓｉｄｅｗａｓｍｅａｓｕｒｅｄｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｗｉｔｈｅｎｔｅｒｓｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｒｅａｔｈｅｌｉｇｈｔｔｏａｆｆｅｃｔｍｕｔｕａｌｌｙ，ｃａｕｓｅｓｔｈｅｌｉｇｈｔｔｈｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｔｈｅｐｈａｓｅ，ｔｈｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｔｏｏｃｃｕｒｃｈａｎｇｅｓｉｎｔｏｔｈｅｓｉｇｎａｌｌｉｇｈｔｗｈｉｃｈｍｏｄｕｌａｔｅｓ，ａｇａｉｎｐａｓｓｅｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｔｏｓｅｎｄｉｎｔｈｅｌｉｇｈｔｄｅｔｅｃｔｏｒ，ｔｈｅｄｅｍｏｄｕｌａｔｏｒｏｂｔａｉｎｓｉｓｍｅａｓｕｒｅｄｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｑｕａｎｔｉｔｙ．Ｔｈｅｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒｍａｙｄｉｖｉｄｅｉｎｔｏｔｗｏｋｉｎｄｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｉｔｓｓｅｎｓｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ：ｏｎｅｋｉｎｄｉｓｔｈｅｌｉｇｈｔ－ｐａｓｓｉｎｇｓｅｎｓｏｒ；ｔｈｅｏｔｈｅｒｉｓｔｈｅｓｅｎｓｉｎｇｓｅｎｓｏｒ．Result:Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｍａｉｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｍｅｄｉｃｉｎｅｉｓｔｈｅｌｉｇｈｔ－ｐａｓｓｉｎｇｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅｍａｉｎａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃ ｓｅｎｓｏｒａｒｅ：ｅｘｑｕｉｓｉｔｅ，ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ，ｎｏｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｔｈｅｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｔｈｅｍｉｃｒｏｗａｖｅ．Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｉｓh ｉｇｈ．Ｔｈｅｉｍａｇｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｎｍｅｄｉｃａｌｉｓｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｐａｒｔｏｆ ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｍｏｄｅｓｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒ．Ｏｎｌｙｔｉｅａｐｌｅｎｔｙｏｆｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｔｏｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓ，ｗｅｃｏｕｌｄｍａｋｅｔｈｅｓｅｎｓｏｒｗｈｉｃｈｃａｎｃａｕｓｅｔｈｅｉｍａｇｅｓｐａｃｅ 收稿日期：2008-03-10 作者简介：孙素梅（1954-），女，漯河医学高等专科学校物理教研室 副教授。Tel ：0395-296452713939575106；E -mail ： sunsumei2007@https://www.doczj.com/doc/2018829150.html, 。 846--