國(guó)內(nèi)外光纖傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀

1、國(guó)內(nèi)外光纖傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀2011-6-298:25:44訊石光通訊咨詢網(wǎng)作者：iccsz摘要:本文將分析光纖傳感器國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀。主要介紹了兩方面的情況：光纖傳感器原理性研究的發(fā)展現(xiàn)狀和光纖傳感器產(chǎn)品的應(yīng)用與開發(fā)的現(xiàn)狀。本文將分析光纖傳感器國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀。主要介紹了兩方面的情況：光纖傳感器原理性研究的發(fā)展現(xiàn)狀和光纖傳感器產(chǎn)品的應(yīng)用與開發(fā)的現(xiàn)狀。前者報(bào)道了光纖光柵、分布式光纖傳感技術(shù)以及光纖傳感網(wǎng)的發(fā)展，這些是目前的研究熱點(diǎn)；后者介紹了光層析成像技術(shù)、智能材料、光纖陀螺及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、工業(yè)工程類傳感器(其中包括電力工業(yè)用高電壓、大電流傳感器，利用光纖的彈光效應(yīng)和FBG器件的應(yīng)力傳感器等)。

2、最后介紹了新型光纖材料與器件、氟化物玻璃光纖，碳涂覆光纖、以及正在研究中的蜂窩型波導(dǎo)光纖、液晶光纖等。一、引言隨著密集波分復(fù)用DWDM技術(shù)、摻銀光纖放大器EDFA技術(shù)和光時(shí)分復(fù)用OTDR技術(shù)的發(fā)展和成熟，光纖通信技術(shù)正向著超高速、大容量通信系統(tǒng)的方向發(fā)展，并且逐步向全光網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。在光通信迅猛發(fā)展的帶動(dòng)下，光纖傳感器作為傳感器家族中年輕的一員，以其在抗電磁干擾、輕巧、靈敏度等方面獨(dú)一無二的優(yōu)勢(shì)，已迅速成長(zhǎng)為年成交額超過10億美金，并預(yù)計(jì)將于2010年擁有超過50億美金市場(chǎng)的產(chǎn)業(yè)。每年由美國(guó)光學(xué)工程師學(xué)會(huì)(OSA)主辦的光纖傳感國(guó)際會(huì)議(OFS)及時(shí)報(bào)道著光纖傳感領(lǐng)域的最新進(jìn)展，并對(duì)光纖傳感及其相

3、應(yīng)技術(shù)進(jìn)行有益的研討。當(dāng)前，世界上光纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展可分為兩大方向：原理性研究與應(yīng)用開發(fā)。隨著光纖技術(shù)的日趨成熟，對(duì)光纖傳感器實(shí)用化的開發(fā)成為整個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)和關(guān)鍵。由于光纖傳感技術(shù)并未如光纖通信技術(shù)那樣迅速地獲得產(chǎn)業(yè)化，許多關(guān)鍵技術(shù)仍然停留在實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段，距商業(yè)化有一定的距離，因此光纖傳感技術(shù)的原理性研究仍處于相當(dāng)重要的位置。由于很多光纖傳感器的開發(fā)是以取代當(dāng)前已相當(dāng)成熟，可靠性和成本已得到公認(rèn)，并已經(jīng)被廣泛采用的傳統(tǒng)機(jī)電傳感系統(tǒng)為目的，所以盡管這些光纖傳感器具有如電磁絕緣、高靈敏度、易復(fù)用等諸多優(yōu)勢(shì)，其市場(chǎng)滲透所面臨的困難和挑戰(zhàn)是可想而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纖傳感器則在競(jìng)

4、爭(zhēng)中占有明顯優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)BG和其它的光柵類傳感器就是一個(gè)最好的例證。當(dāng)前的原理性研究熱點(diǎn)集中于光纖光柵(FBG和LPG)型傳感器和分布式光纖傳感系統(tǒng)兩大板塊。FBG型光纖傳感器自發(fā)明之日起，已走過了原理性研究和實(shí)驗(yàn)論證的百家爭(zhēng)鳴階段。目前成熟的FBG制作工藝已可形成小批量生產(chǎn)能力，而研究的焦點(diǎn)也轉(zhuǎn)向解決高精度應(yīng)用，完善解調(diào)和復(fù)用技術(shù)，以及降低成本等幾個(gè)方向上。另一方面，由于光纖傳感器具有將傳輸與傳感媒質(zhì)合而為一的特性，使得沿布設(shè)路徑上的光纖可全部成為敏感元件，因此，分布式傳感成為光纖傳感器與生俱來的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用研究主要有以下四大類：光(纖)層析成像技術(shù)(OCT,OPT)、智能材料(

5、SMARTMATERIALS)、光纖陀螺與慣導(dǎo)系統(tǒng)(IFOG,IMIU)和常規(guī)工業(yè)工程傳感器。另外，由于光纖通信市場(chǎng)需求的帶動(dòng)以及傳感技術(shù)的特殊要求，新型器件和特種光纖的研究成果也層出不窮。目前，我國(guó)的光纖傳感器研究大多數(shù)集中于大專院校和科研單位，仍然未完成由實(shí)驗(yàn)室向產(chǎn)品化的過渡。其中，比較成熟的技術(shù)包括：清華大學(xué)光纖傳感中心與總后合作研制開發(fā)的光纖油罐液位與溫度測(cè)量系統(tǒng)，已經(jīng)安裝運(yùn)行數(shù)年；北京航空航天大學(xué)與總裝合作研制的光纖陀螺系統(tǒng)，目前指標(biāo)為0.27hr；中國(guó)計(jì)量學(xué)院研制的分布式光纖傳感系統(tǒng)，已有產(chǎn)品報(bào)道；華中理工大學(xué)與廣東某公司聯(lián)合研制的強(qiáng)電壓、大電流傳感系統(tǒng)。此外，在廣東、深圳等地，還

6、建立了許多光纖無源器件生產(chǎn)廠家。由于光纖傳感器未能跨越產(chǎn)品化的門檻，并未象光纖通信產(chǎn)業(yè)那樣成指數(shù)型增長(zhǎng)，許多與我們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的傳感器產(chǎn)品（如交通管理、警報(bào)裝置等）和大量的測(cè)試儀器依然依賴于進(jìn)口，亟待發(fā)展的空間非常廣闊。二、光纖傳感器的原理性研究1、光纖布拉格光柵光纖布拉格光柵FBG于1978年問世1,這種簡(jiǎn)單的固有傳感元件，可利用硅光纖的紫外光敏性寫入光纖芯內(nèi)，圖1描述了光纖光柵的基本原理。常見的FBG傳感器通過測(cè)量布拉格波長(zhǎng)的漂移實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的檢測(cè)，光柵布拉格波長(zhǎng)（入喉件可以由式（1）表示：式中，A光柵周期；n一折射率。當(dāng)寬譜光源入射到光纖中，光柵將反射其中以布拉格波長(zhǎng)舊為中心波長(zhǎng)的窄

7、譜分量。在透射譜中，這一部分分量將消失，舊隨應(yīng)力與溫度的漂移為2:其中，£4卜加應(yīng)力；Pi,j光纖的光彈張量系數(shù)；v-白松比;a光纖材料（如石英）的熱膨脹系數(shù)；F溫度變化量。上式中：因子典型值為0.22。因此，可以推導(dǎo)出在常溫和常應(yīng)力條件下的FBG應(yīng)力和溫度響應(yīng)條件如式下：1pm的波長(zhǎng)分辨率大致對(duì)應(yīng)于1.3mm處0.1C或1me的溫度和應(yīng)力測(cè)量精度。光纖光柵除了具備光纖傳感器的全部?jī)?yōu)點(diǎn)之外，還擁有自定標(biāo)和易于在同一根光纖內(nèi)集成多個(gè)傳感器復(fù)用的特點(diǎn)。圖2是光纖光柵傳感器在一根光纖內(nèi)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量的例子3。光柵傳感器可拓展的應(yīng)用領(lǐng)域有許多，如將分布式光纖光柵傳感器嵌入材料中形成智能材料，可

8、對(duì)大型構(gòu)件的載荷、應(yīng)力、溫度和振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)；光柵也可以代替其它類型結(jié)構(gòu)的光纖傳感器，用于化學(xué)、壓力和加速度傳感中。圖3為傳統(tǒng)阻抗計(jì)與FBG傳感器測(cè)試結(jié)果的比較。美國(guó)的MICRON-OPTICS公司所研制的FBG應(yīng)用系統(tǒng)Si4259（見圖4）,可同時(shí)測(cè)量多達(dá)4路512個(gè)FBG傳感器，掃描范圍50nm、分辨率1pm、測(cè)量頻率可達(dá)244Hz。長(zhǎng)周期光柵是指周期大于100mm的光柵，也是繼FBG之后光纖光柵型傳感器的另一個(gè)重要分支。由于測(cè)量利用包層膜耦合的原理，使其同時(shí)具備靈敏度優(yōu)良和制作簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)。圖5是長(zhǎng)周期光柵的透射譜。光纖光柵的其它分支還包括喟啾光柵、斜光柵等2,它們也已付諸應(yīng)用

9、研究6。2、分布式光纖傳感系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)，由于對(duì)工民建和工業(yè)設(shè)施安全性和效益要求的不斷提高，對(duì)集成的安全檢測(cè)系統(tǒng)的需求逐步攀升。具備可連續(xù)、無間斷、長(zhǎng)距離測(cè)量并與被測(cè)量介質(zhì)有極強(qiáng)的親和性的分布式光纖傳感系統(tǒng)似乎正是為此而量身定做的。分布式光纖傳感系統(tǒng)通常有三種類型：拉曼型、布里淵型和FBG型。拉曼型分布式光纖傳感系統(tǒng)是基于光纖拉曼散射效應(yīng)的連續(xù)型傳感器，其工作原理見圖6。三種類型的傳感系統(tǒng)的應(yīng)用都已見諸于報(bào)道。其中尤以拉曼型分布式傳感系統(tǒng)最為成熟，已成功地裝載于A340運(yùn)輸機(jī)上（圖7）。FBG型分布式傳感系統(tǒng)在應(yīng)力多點(diǎn)分布式測(cè)量中有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)，并可同時(shí)完成溫度和應(yīng)力的雙參量測(cè)量5,為FBG應(yīng)

10、用開辟了更為廣闊的前景。圖8介紹了采用WDM/TDM解調(diào)的FBG陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4o三、光纖傳感器產(chǎn)品的應(yīng)用與開發(fā)光纖傳感器的應(yīng)用開發(fā)根據(jù)當(dāng)前的應(yīng)用熱點(diǎn)領(lǐng)域和技術(shù)類型可大致分為四個(gè)大的方向：光（纖）層析成像分析技術(shù)OCT、光纖智能材料（SMARTMATERIAL）、光纖陀螺與慣導(dǎo)系統(tǒng)、以及常規(guī)工業(yè)工程傳感器。2002年是光纖陀螺（I-FOG）誕生的25周年，在第15屆OFS年會(huì)上，特別為光纖陀螺開辟了專題會(huì)場(chǎng)。1、光層析成像技術(shù)光纖層析成像分析技術(shù)從興起到應(yīng)用不過只有二、三十年的時(shí)間，根據(jù)不同的原理和應(yīng)用場(chǎng)合，可將光纖層析技術(shù)分為光相干層析成像分析（OCT）和光過程層析成像分析技術(shù)（OPT）。光

11、層析成像技術(shù)源于X射線層析成像分析（CT）,其基本原理如圖9所示。當(dāng)X射線或光線傳輸經(jīng)過被測(cè)樣品時(shí)，不同的樣品材料對(duì)射線的吸收特性有不同，因此對(duì)經(jīng)過樣品的射線或光線進(jìn)行測(cè)量、分析，并根據(jù)預(yù)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)進(jìn)行解算就可以得到所需要的樣品參數(shù)。光纖相干層析成像技術(shù)（OCT）主要應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域，如視網(wǎng)膜掃描、胃腸內(nèi)視和用于實(shí)現(xiàn)彩色多普勒（CDOCT）血流成像等。其工作原理基于光的相干檢測(cè)原理，基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示。OCT為生物細(xì)胞和機(jī)體的活性檢測(cè)提供了一種有效的方式，世界上有許多國(guó)家都開發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品。圖11為視網(wǎng)膜的CT掃描圖像。德國(guó)的科學(xué)家近期推出了一臺(tái)可用作皮膚癌診斷的

12、OCT設(shè)備。此外,利用OCT可以實(shí)現(xiàn)深度測(cè)量（1mm）的優(yōu)勢(shì)，已有實(shí)例應(yīng)用于對(duì)生長(zhǎng)中的細(xì)胞進(jìn)行觀察和監(jiān)測(cè)中。而OPT則面向工業(yè)工程油井、管線等場(chǎng)所，高精度地解決流體的過程測(cè)量問題。由于OPT所關(guān)心的是光線路徑上的積分過程，因此相關(guān)的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、測(cè)量理論分析中的單元分割與信號(hào)處理都是關(guān)鍵。圖12簡(jiǎn)單描繪了傳統(tǒng)OPT的測(cè)量原理，由于OPT具有適用于狹小的或不規(guī)則的空間、安全性高、測(cè)量區(qū)域不受電磁干擾以及可組成測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的多項(xiàng)長(zhǎng)處，為工業(yè)過程的安全測(cè)量提供了一種優(yōu)良的手段。2、智能材料智能材料的提出和研究已有相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，為業(yè)內(nèi)人士所熟悉。智能材料是指將敏感元件嵌入被測(cè)構(gòu)件機(jī)體和材料中，從而在構(gòu)

13、件或材料常規(guī)工作的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)其安全運(yùn)轉(zhuǎn)、故障等的實(shí)時(shí)監(jiān)控。其中，光纖和電導(dǎo)線與多種材料的有效結(jié)合是關(guān)鍵問題之一，尤其是實(shí)現(xiàn)與紡織材料的自動(dòng)化編織。美國(guó)南卡羅來那州立大學(xué)、佛吉尼亞理工大學(xué)和費(fèi)城紡織學(xué)院都在此方面進(jìn)行了大量工作。筆者曾參與由美國(guó)軍方資助的預(yù)研項(xiàng)目智能型士兵（SMARTSOLDIER）和智能型降落傘（SMARTPARACHUTE）的研究。圖13展示了一件嵌入光纖和電導(dǎo)線的背心7。其中光纖和電導(dǎo)線的嵌入均已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，為智能型服裝的商業(yè)化解決了又一難題。智能材料作為橋梁、大壩等混凝土大型建筑的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在國(guó)外多處工程中通過安裝測(cè)試并付諸應(yīng)用。此外，智能材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用也日趨

14、廣泛，尤其是采用光纖光柵和光纖分布式應(yīng)力、溫度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行惡劣環(huán)境條件-高溫、變形的多參量監(jiān)測(cè)取得了明顯的效果。圖14勾勒出分布式傳感器在航天領(lǐng)域多參量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用方案。3、光纖陀螺及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)光纖陀螺（I-FOG）及慣導(dǎo)系統(tǒng)歷經(jīng)25年的發(fā)展，目前已進(jìn)入實(shí)用階段。從1976年Vali和Shorthill首次提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證I-FOG原理之后2的五年間，世界范圍內(nèi)的主要工作集中于基本結(jié)構(gòu)的研究、結(jié)構(gòu)小型化、開環(huán)和閉環(huán)結(jié)構(gòu)的討論等。圖15顯示出光纖陀螺的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)10O從1980到1990年的十年中，對(duì)系統(tǒng)誤差因子和光纖器件的研究取得了顯著的進(jìn)展，新型的SLD光源、保偏光纖及耦合器的采用，以及特殊的

15、繞制技術(shù)為陀螺的實(shí)用化鋪平了道路。上世紀(jì)90年代，中級(jí)的I-FOG由于采用了消偏結(jié)構(gòu)、3軸I-FOG、EDFA光源等新型光纖器件和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了成本降低、體積減小和性能提高目的，并率先在航天及軍事領(lǐng)域獲得應(yīng)用。例如，美國(guó)Honeywell公司為美國(guó)軍方制造的用于直升機(jī)的三軸慣導(dǎo)系統(tǒng)直徑僅為86mm。國(guó)際上有些高性能光纖陀螺的漂移指標(biāo)已達(dá)到0.0017hr,許多產(chǎn)品已經(jīng)投入民用飛機(jī)和汽車工業(yè)。未來光纖陀螺在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用還有更廣闊的天地。圖16是日本MitsubishiPrecision公司和空間及宇航所為日本M-V火箭系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的慣導(dǎo)系統(tǒng)。4、工業(yè)工程類傳感器傳統(tǒng)的工業(yè)工程類傳感器包括應(yīng)用光纖的

16、電光和磁光效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的電力工業(yè)用大電壓、電流傳感器。圖17為加拿大BC水電站所安裝NXVCT的照片。利用光纖的彈光效應(yīng)和FBG器件的應(yīng)力傳感器已被廣泛應(yīng)用于應(yīng)力監(jiān)測(cè)中。圖18中為法國(guó)Alstom公司的鐵路部TransportS.A.領(lǐng)導(dǎo)研制的一種安裝了FBG的智能型新型復(fù)合材料的轉(zhuǎn)向架10。在許多特殊場(chǎng)合-核工業(yè)、化工和石油鉆探中都應(yīng)用了監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)。圖19是安裝了嵌入式FBG溫度傳感器陣列的發(fā)電機(jī)定子。光纖傳感器系統(tǒng)正日益走向成熟，并逐步融入日常的生產(chǎn)和生活之中。更多的應(yīng)用和研究成果可參考OFS年會(huì)論文集10,以及SPIE的相關(guān)專題會(huì)議論文。光纖通信的迅猛發(fā)展帶動(dòng)新型光纖器件和材料的不斷涌

17、現(xiàn)，為光纖傳感系統(tǒng)的開發(fā)提供了必要的基礎(chǔ)。新型材料光纖和新型結(jié)構(gòu)光纖前景看好。以SiO2材料為主的光纖，工作在0.8am1.6am的近紅外波段，目前所能達(dá)到的最低理論損耗在1550nm波長(zhǎng)處為0.16dB/km,已接近石英光纖理論上的最低損耗極限，成為滿足超寬帶寬、超低損耗、高碼速通信需要新型基體材料的光纖氟化物玻璃光纖是當(dāng)前研究最多的超低損耗遠(yuǎn)紅外光纖，其最低損耗在2.5am附近為1xi0-3dB/km,無中繼距離可達(dá)到1X105km以上。硫化物玻璃光纖具有較寬的紅外透明區(qū)域（1.2心m12a0，有利于多信道復(fù)用，其溫度對(duì)損耗的影響較小，其損耗水平在6am波長(zhǎng)處為0.2dB/km,是非常有前

18、途的光纖。而且，硫化物玻璃光纖具有很大的非線性系數(shù)，用它制作的非線性器件，可以有效地提高光開關(guān)的速率，使開關(guān)速率達(dá)到數(shù)百Gb/s以上。重金屬氧化物玻璃光纖具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械物理性能，若把鹵化物玻璃與重金屬氧化物玻璃的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，制造成性能優(yōu)良的鹵-重金屬氧化物玻璃光纖，將具有重要意義。特殊的應(yīng)用環(huán)境對(duì)光纖有特殊的要求，石英光纖的纖芯和包層材料具有很好的耐熱性，耐熱溫度達(dá)到400c500C,所以光纖的使用溫度取決于光纖的涂覆材料。目前，梯型硅氧烷聚合物（LSP）涂層的熱固化溫度達(dá)400c以上，600c時(shí)的光傳輸性能和機(jī)械性能仍然很好。采用冷的有機(jī)體在熱的光纖表面進(jìn)行非均勻成核熱化學(xué)反應(yīng)

19、（HNTD）,然后在光纖表面進(jìn)行裂解生成碳黑，即碳涂覆光纖。碳涂覆光纖的表面致密性好，具有極低的擴(kuò)散系數(shù)，而且可以消除光纖表面的微裂紋，解決了光纖的疲勞”問題。另一方面，光纖的結(jié)構(gòu)決定了光纖的傳輸性能，合理的折射率分布可以減少光的衰減和色散的產(chǎn)生，并增加光能量的傳輸。隨著光纖通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了DFF（色散平坦光纖）。為了DWDM系統(tǒng)能夠在盡可能寬的可用波段上進(jìn)行波分復(fù)用，各個(gè)公司都致力于消除OH-吸收峰，已開發(fā)出的無水峰光纖”，可實(shí)現(xiàn)1350nm1450nm第五窗口的實(shí)際應(yīng)用。美國(guó)Lucent公司開發(fā)出的AllWave光纖，克服了OH-的諧波吸收，從而實(shí)現(xiàn)了1280nm1625nm范圍內(nèi)完整波段的利用。為了適應(yīng)相干通信系統(tǒng)的要求，已經(jīng)研制出了熊貓理、蝴蝶結(jié)"型和扁平'型的高雙折射保偏光纖，另外具有邊坑”型的單模單偏振保偏光纖，以及正在研究中的蜂窩型波導(dǎo)光纖9、液晶光纖（見圖20）等等，這些都將為光纖傳感器的發(fā)展提供更加廣泛的選擇。五、結(jié)束語隨著光電子技術(shù)近年來突飛猛進(jìn)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)經(jīng)過二十余年的發(fā)展也已獲得長(zhǎng)足的進(jìn)步，其主要體現(xiàn)在：1、進(jìn)入實(shí)用化階段，逐步形成傳感領(lǐng)域的一個(gè)新的分支不少光纖傳感器以其特有的優(yōu)點(diǎn)，替代或更新了傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)，如光纖陀螺、光纖水聽器、光纖電流電壓傳感器