光纖傳感器的組成結構及發展前景

組成結構

光纖傳感器網的三種基本構成。

    光纖傳感器網有三種基本構成，其中一個叫單點式傳感器。一根光纖在這里僅僅起到傳輸的作用，另外一種叫多點式傳感器，在這里一根光纖把很多傳感器串起來，這樣很多傳感器可以共用光源實現網絡性監測。再有就是智能光纖傳感器。

    多點式光纖傳感器，從外表看就是一節光柵，通過紫外線照射發現有周期性的間隔。當有光纖入射的時候，如果光纖的波長正好等于間隔的兩倍，那么這個光波將會受到強烈的反射，而如果光纖受到溫度變化或者應變等等，這個反射波長將會發生變化，這種傳感器在一根光纖上可以做很多個，把它連接起來就可以用于各種各樣的傳感應用。

    因為光纖是軟的，它可以兩維、三維，所以橫軸是空間的位置，縱軸是測量對象。這樣一個傳感網解決了什么問題呢?它解決了在什么位置上發生了什么事情，那個事情有多少個強度的問題，也就是提供了兩維的信息。這就是智能光纖傳感器所需要解決的問題，它有非常突出的特點要求，包括體積小、強度高、穩定性好，可植入材料中。抗電磁干擾、耐環境。 

    光纖傳感器已經成功應用于飛機結構監測。我們看到A-380和波音787，它們的特點是超過一半數量是碳纖維，比如說碳纖維符合樹脂有幾種缺失，一個是層與層之間的剝離，由于這種材料比較強，所以很難像鋁合金材料那樣實行碳酸檢測，所以研究人員現在開始研究把光纖傳感器埋到復合材料當中去，由于這種材料一層大概125微米的厚度，所以這種光纖傳感器必須是特別細小的光纖傳感器，大概直徑在50個微米左右。

    我們說光纖傳感器網可以成為安全安心社會的神經網。光纖傳感器網可以用語光纖通訊網的診斷技術。光纖傳感器網在安防方面已經有很多的應用，國內有很多企業在這方面開展了卓有成效的工作。

發展前景

    國內市場上，應用最為廣泛的光纖傳感技術當屬布拉格光纖光柵和基于光時域反射的分布式傳感器，這種技術基本上可以滿足中低端市場的需求。而現在光譜線寬窄至2kHz的單頻光纖激光器及其引申出來的最新一代光傳感技術，這與傳統的光纖傳感有很大的區別，它可以進行超遠距離的傳輸，精度和敏感度能達到更高的要求，這在高端市場上需求很大，21世紀初，該項技術在國內尚處于立項和預研階段。國內市場上光纖傳感器應用主要在以下四種：光纖陀螺、光纖光柵傳感器、和光纖水聽器。下面對這四種產品分別介紹一下。

    一、光纖陀螺。 光纖陀螺按原理可分為干涉型、諧振型和布里淵型，這是三代光纖陀螺的代表。第一代干涉型光纖陀螺，21實際初期，該項技術就已經成熟，適合進行批量生產和商品化；第二代諧振型光纖陀螺，暫時還處于實驗室研究向實用化推進的發展階段；第三代布里淵型，它還處于理論研究階段。光纖陀螺結構根據所采用的光學元件有三種實現方法：小型分立元件系統、全光纖系統和集成光學元件系統。21世紀初期，分立光學元件技術已經基本退出，全光纖系統用在開環低精度、低成本的光纖陀螺中，集成光學器件陀螺由于其工藝簡單、總體重復性好、成本低，所以在高精度光纖陀螺很受歡迎，是其主要實現方法。

    二、光纖光柵傳感器。 目前國內外傳感器領域的研究熱點之一光纖布拉格光柵傳感器。傳統光纖傳感器基本上可分為兩種類型：光強型和干涉型。光強型傳感器的缺點在于光源不穩定，而且光纖損耗和探測器容易老化；干涉型傳感器由于要求兩路干涉光的光強同等，所以 需要固定參考點而導致應用不方便。21世紀初期開發的以光纖布拉格光柵為主的光纖光柵傳感器可以避免出現上面兩種情況，其傳感信號為波長調制、復用能力強。在建筑健康檢測、沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等應用中，光纖光柵傳感器是最理想的靈敏元件。光纖光柵傳感器在地球動力學、航天器、電力工業和化學傳感中有廣泛的應用。

    三、光纖電流傳感器。電力工業的迅猛發展帶動電力傳輸系統容量不斷增加，運行電壓等級也越來越高，電流也越來越大，這樣測量起來就非常困難，這就顯現出光纖電流傳感器的優點了。在電力系統中，傳統的用來測量電流的傳感器是以電磁感應為基礎，這就存在以下缺點：它容易爆炸以至引起災難性事故；大故障電流會造成鐵芯磁飽和；鐵芯發生共振效應；頻率響應慢；測量精度低；信號易受干擾；體積重量大、價格昂貴等等，已經很難滿足新一代數字電力網的發展需要。這個時候光纖電流傳感器應運而生。

     四、光纖水聽器。 光纖水聽器主要用來測量水下聲信號，它通過高靈敏度的光纖相干檢測，將水聲信號轉換為光信號，并通過光纖傳至信號處理系統進行識別。與傳統水聽器相比，光纖水聽器具有靈敏度高、響應帶寬寬、不受電磁干擾等特點，廣泛用于軍事和石油勘探、環境檢測等領域，具有很大的發展潛力。光纖水聽器按原理可分為干涉型、強度型、光柵型等。干涉型光纖水聽器關鍵技術已經逐步發展成熟，在部分領域形成產品；光纖光柵水聽器則是當前研究的熱點，研究的關鍵技術涉及光源、光纖器件、探頭技術、抗偏振衰落技術、抗相位衰落技術、信號處理技術、多路復用技術以及工程技術等。

    光纖傳感器技術是建立在光纖、光通信和光電子技術的基礎上發展起來的，電磁干擾和腐蝕作用對它的影響很小，還能適應各種惡劣的氣象環境，不要額外的電源進行供電，就可以長距離的進行傳輸，已成為傳感器行業的研究熱點。

傳感器一直朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍卻是倍受青睞。
　　光纖具有很多優異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能。光纖傳感器應用于對磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉矩、光聲、電流和應變等物理量的測量。其應用范圍十分廣泛。因此我們可以說光纖傳感器具有很大的市場需求，不說長久，至少在未來5年，光纖傳感器將會有廣闊的發展前景。

光纖傳感技術及其相關技術的迅速發展，滿足了各類控制裝置及系統對信息的獲取與傳輸提出的更高要求，使得各領域的自動化程度越來越高，作為系統信息獲取與傳輸核心器件的光纖傳感器的研究非常重要。

    光纖傳感器技術發展的主要方向是：

（1）多用途。即一種光纖傳感器不僅只針對一種物理量，要能夠對多種物理量進行同時測量。

（2）提高分布式傳感器的空間分辨率、靈敏度，降低其成本，設計復雜的傳感器網絡工程。注意分布式傳感器的參數，即壓力、溫度，特別是化學參數（碳氫化合物、一些污染物、濕度、PH值等）對光纖的影響。

（3）新型傳感材料、傳感技術等的開發。

（4）在惡劣條件下（高溫、高壓、化學腐蝕）低成本傳感器（支架、連接、安裝）的開發和應用。

（5）光纖連接器及與其它微技術結合的微光學技術。

光纖傳感運用主要分為五大方向：

（1）石油和天然氣——油藏監測井下的P/T傳感、地震陣列、能源工業、發電廠、鍋爐及蒸汽渦輪機、電力電纜、渦輪機運輸、煉油廠；

（2）航空航天——噴氣發動機、火箭推進系統、機身；

（3）民用基礎建設——橋梁、大壩、道路、隧道、滑坡；

（4）交通運輸——鐵路監控、運動中的重量、運輸安全；

（5）生物醫學——醫用溫度壓力、顱內壓測量、微創手術、一次性探頭。