两种典型的光纤传感器研究现状与发展趋势 ①
郑宏军 1, 黎昕 1, 杨恒新 2
(1. 聊城师范学院物理系 , 山东 聊城 252059 2. 南京邮电学院 , 南京 210003 摘要 :介绍了两种典型光纤传感器的研究和应用情况 , 提出了光纤传感器存在的问题 及发展方向 , 为光纤传感器的深入研究提供了有益参考 .
关键词 :光纤传感器 , 光纤陀螺 , 光纤温度传感器
中图分类法 :T P 212. 14 文献标识码 :A 文章编号 :20281204 1 引 言
光纤通信 、 , 其中光纤通信是主体 [1]. , 且以体积小 、 重量轻 、 检测分辨率高 、 灵敏度高 、 、 抗腐蚀性强等明显优于传统传感器的 、 医疗卫生 、 国防工程等重要部门 . 1987年 , 国家科委制定了 《传感
[], 同年 , 国务院发布的信息技术政策中把传感器列为重点发展的新技术之一 . 1996年 , 经国家批准 , 在机械部沈阳仪器仪表工艺研究所开始筹建 “传感器国家工程研究中 心” , 加强了传感器工程化研究工作 . 可见 , 光纤传感器及其应用技术的研究非常重要 . 2 光纤传感器的工作原理
图 1是光纤传感器的原理结构图 . 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 .
图 1 光纤传感器的原理结构图
2001年 12月 传 感 技 术 学 报 第 4期 ① 来稿日期 :2001204209
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 [3]. 传光型光纤传感器中的 光纤只是作为传光介质 , 其光路中必须另加其他的传感元件 . 敏感型光纤传感器中的光纤不 仅传光 , 而且会随外界因素作用使传光特性发生相应变化 . 光纤传感器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 . 强度型光纤传感器是利用传感对象和光纤中传输光 波的光强关系来检测相关物理量的 , 通常采用多模光纤 , 结构相对简单可靠 . 相位型光纤传 感器是利用传感对象和光纤中光波相位变化关系 , 通过干涉的方法测得相移 , 从而来检测相 关物理量 , 通常采用单模光纤组成双光路 , 结构和技术相对复杂 , 但灵敏度较高 . 此外 , 还有 光频率调制型和
光偏振调制型等类型的光纤传感器 . 本文对几种具有重要应用价值的典型 光纤传感器及其应用技术进行了分析讨论 .
3 典型的光纤传感器的应用及存在的问题
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 , 感器的两种典型应用情况 , 突出了光纤传感器的优点和急待解决的问题 . 3. 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 、 , 要 . 常用的温度检测方法很多 ,
理参数 (电阻值 、 电势等 . 若在微波能应用 、 电力机械设备等高 温 、 强腐蚀 、 , 传统的温度检测方法不再适用 , 而光纤 , 且温度检测分辨率高 、 灵敏度高 、 测温范围宽 , 但在实际应用 中 , 、 光纤传输损耗变化 、 探测器老化等因素的 影响 . 近年来 , 针对光纤温度传感器在应用中的不足 , 其补偿技术发展迅速 , 王勇 、 廖延彪等 人 [4, 5]对光纤温度传感器补偿技术有了较深入的探讨 , 提出了多种衬偿结构及改进措施 , 实 验效果较好 . 采用补偿结构的光纤温度传感器 , LD 光源波长 1. 31Λm 、 功率 2mW , 测温石 英晶体 0. 9mm , 可保证在测温范围 0~150℃内输出单值性信号 , 且温度响应速度高 、 稳定 性高 , 实验测得系统随机误差小于 0. 1℃ , 系统测量精度为 0. 1℃ . 突出了光纤温度传感器 的优点 , 也暴露了光纤传感器普遍存在的缺点 (如组成光纤温度传感器各部分元件的本身性 能对测温精度的影响等 .
3. 2 光纤陀螺及其应用
光纤陀螺是利用光纤传感技术测量空间惯性转动率的一种新型传感器 , 光纤陀螺可分 为干涉型光纤陀螺 、 环形谐振腔光纤陀螺 、 受激布里渊散射环形激光陀螺 . 其中 , 干涉型光纤 陀螺工作原理都是采用直接检测干涉后的 Sagnac 相移来得到旋转角速度 [6], 该类光纤陀螺 已经基本实用化 . 环形谐振腔光纤陀螺是利用
Sagnac 效应引起的谐振腔内沿相反方向传播 的两谐振光束的频率差来测定旋转角速度的 . 该类光纤陀螺灵敏度 、 精度 、 稳定性优于干涉 型光纤陀螺 , 但尚处于实验研究阶段 . 受激布里渊散射环形激光陀螺是由高输出功率和入射 光在光纤中引起感应布里渊散射光的激光器构成 . 当光纤环中传输的光强度达到一定程度
时就会产生布里渊散射 ,
检测散射光的频率 , 并进行拍频处理 , 就可得到旋转角速度 . 目前尚 处于基础研究阶段 . 与传统的机电陀螺相比 , 它具有体积小 、 精度高 、 启动时间短 、 动态范围 宽 、 重量轻 、 功耗小 、 成本低 、 寿命长等优点 , 如 (光纤陀螺的深入研究使得角速度测量精度从 最初的几十倍的地球自转角速率 15(o h 到现在的 0. 001(o h , 提高了 5~6个数量级 [7]. , 282 传 感 技 术 学 报 2001年
广泛应用于各种惯性导航系统 (如人造卫星 、 飞机 、 高速列车等导航系统 、 战术和战略武器的 制导系统等 [8, 9] .
光纤陀螺与传统的机电陀螺相比具有许多优点 , 但也存在着急待解决的问题 :高相干光 源精度 、 温度稳定性有待于进一步提高 , 体积进一步缩小 、 高分辨率 、 宽动态范围和数字输 出 、 集成化等 .
4 光纤传感器研究发展趋势
光纤传感技术及其相关技术的迅速发展 , 满足了各类控制装置及系统对信息的获取与 传输提出的更高要求 , 使得各领域的自动化程度越来越高 , 作为系统信息获取与传输核心器 件的光纤传感器的研究非常重要 . 在上述两种典型应用中 , 光
纤传感器起着重要作用 , 有着 突出的优点 , 但也存在着急待解决的问题 (如光纤传感器的输出信号会受到光源波动 、 光纤 传输损耗变化 、 探测器老化等因素的影响 . 度的影响等 . (耗 , , 、 集成化和自动化 、 工程化 的新型光纤传感器 , . 参考文献
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