光纖傳感器的現(xiàn)狀和展望畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、光 纖 傳 感 器 的 現(xiàn) 狀 和 展 望姓名： 學(xué)號:0522327 班級：機(jī)制（3）班 2010/10/28光纖傳感器的現(xiàn)狀和展望摘要：介紹光纖傳感器的主要性能特點(diǎn)及所涉及的領(lǐng)域；近年來光纖傳感器技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用的現(xiàn)狀及其前景展望。關(guān)鍵詞：光纖傳感器(fos)、光纖傳感器技術(shù)、現(xiàn)狀和發(fā)展abstract：this paper describes the main properties&characteristics of fiber-optic sensor and covered areas；the developmentof fiber-optic sensor technology

2、in recent years，the present application status and prospectskey words：fiberoptic sensors(fos)、fiber optic sensor technology、the status quo and development引言傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱，傳感器作為探測與獲取外界信息的重要環(huán)節(jié)之一而被應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)及軍事的各個(gè)領(lǐng)域。近20多年來，光纖傳感器的發(fā)展則大有取代傳統(tǒng)傳感器的趨勢。光纖傳感器是光通信和集成光學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，它具有如此強(qiáng)大的生命力，主要因?yàn)樗c其他傳感器相

3、比具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因而它的應(yīng)用領(lǐng)域由最初的國防軍事、航天航空迅速向冶造工業(yè)、能源工業(yè)、化學(xué)、生產(chǎn)過程控制、環(huán)保監(jiān)測等民用部門迅速擴(kuò)展。根據(jù)美國市場信息研究公司預(yù)測：現(xiàn)代光纖傳感器的市場會像2o世紀(jì)70年代后期的半導(dǎo)體工業(yè)那樣急劇增長。隨著光纖傳感器成本的不斷降低、性能不斷提高，它將在未來的信息化社會中占有重要地位。光纖傳感器一般可分為2類：一類是功能型傳感器(function fiber optic sensor)，又稱ff型光纖傳感器；另一類是非功能傳感器(nonfunction fiber optic sensor)，又nf型光纖傳感器。前者是利用光纖本身的特性，把光纖作為敏感元件，所以又

4、稱傳感型光纖傳感器；后者是利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，用以傳輸來自遠(yuǎn)處或難以接近場所的光信號，因此，也稱傳光型光纖傳感器。1 光纖傳感器及其特點(diǎn)光纖最早在光學(xué)行業(yè)中用于傳光和傳像，在20世紀(jì)70年代初生產(chǎn)出低損耗光纖后，光纖在通信技術(shù)中用于長距離傳遞信息。光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質(zhì)，而且當(dāng)光波在光纖中傳播時(shí)，表征光波的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長等)因外界因素(如溫度、壓力、磁場、電場、位移等)的作用而間接或直接地發(fā)生變化，從而可將光纖用作傳感元件來探測各種待測量(物理量、化學(xué)量和生物量等)，這就是光纖傳感器的基本原理。光纖傳感器可以分為傳感型和傳光型2

5、類。利用外界因素改變光纖中光波的特征參量，從而對外界因素進(jìn)行計(jì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅?，稱為傳感型光纖傳感器，它具有傳感合一的特點(diǎn)，信息的獲取和傳輸都在光纖中進(jìn)行。傳光型光纖傳感器是指利用其他敏感元件測得的特征量，由光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，它的特點(diǎn)是充分利用現(xiàn)有的傳感器，因而便于推廣應(yīng)用。這兩類光纖傳感器都可再分成光強(qiáng)調(diào)制、相位調(diào)制、偏振態(tài)調(diào)制和波長調(diào)制等幾種形式。與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：(1)抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全。由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖又是電絕緣、耐腐蝕的傳輸媒質(zhì)，并且安全可靠，這使它可以方便有效地用于各種大型機(jī)電、石油化工、礦井等強(qiáng)電磁干擾和易

6、燃易爆等惡劣環(huán)境中。(2)靈敏度高。光纖傳感器的靈敏度優(yōu)于一般的傳感器，其中有的已由理論證明，有的已經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如測量水聲、加速度、輻射、磁場等物理量的光纖傳感器，測量各種氣體濃度的光纖化學(xué)傳感器和測量各種生物量的光纖生物傳感器等。(3)質(zhì)量輕、體積小、可撓曲。光纖除具有質(zhì)量輕、體積小的特點(diǎn)外，還有可撓曲的優(yōu)點(diǎn)，因此可以利用光纖制成不同外型、不同尺寸的各種傳感器。這有利于航空航天以及狹窄空間的應(yīng)用。(4)測量對象廣泛。目前已有性能不同的測量各種物理量、化學(xué)量的光纖傳感器在現(xiàn)場使用。(5)對被測介質(zhì)影響小，有利于在生物、醫(yī)藥衛(wèi)生等具有復(fù)雜環(huán)境的領(lǐng)域中應(yīng)用。(6)便于復(fù)用，便于成網(wǎng)，有利于與現(xiàn)有光

7、通信設(shè)備組成遙測網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。(7)成本低。有些種類的光纖傳感器的成本大大低于現(xiàn)有同類傳感器。2 國外光纖傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀當(dāng)前，世界上光纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展可分為2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。美國是研究光纖傳感器起步最早、水平最高的國家，在軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用方面，其進(jìn)展都十分迅速。在軍事應(yīng)用方面，他們研究和開發(fā)的產(chǎn)品主要包括水下探測的光纖傳感器、用于

8、航空監(jiān)測的光纖傳感器、光纖陀螺、用于核輻射檢測的光纖傳感器等。這些研究都分別由美國空軍、海軍、陸軍和國家宇航局(nasa)的有關(guān)部門負(fù)責(zé)，并得到許多大公司的資助。美國也是最早將光纖傳感器用于民用領(lǐng)域的國家。如運(yùn)用光纖傳感器監(jiān)測電力系統(tǒng)的電流、電壓、溫度等重要參數(shù)，監(jiān)測橋梁和重要建筑物的應(yīng)力變化，檢測肉類和食品的細(xì)菌和病毒等。美國的很多大學(xué)、研究單位和公司都開展了光纖傳感器的研究和開發(fā)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1993年以后，美國光纖傳感器的銷售總額每年以30 40的增長速度發(fā)展，到2000年達(dá)到100億美元。近期的調(diào)查結(jié)果表明，美國光纖傳感器的研究開發(fā)重點(diǎn)已向民用領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，民用光纖傳感器的產(chǎn)量已大大超過軍用傳

9、感器。日本和西歐各國也高度重視并投入大量經(jīng)費(fèi)開展光纖傳感器的研究與開發(fā)。日本在2o世紀(jì)80年代制定了“光控系統(tǒng)應(yīng)用計(jì)劃”，計(jì)劃旨在將光纖傳感器用于大型電廠，以解決強(qiáng)電磁干擾和易燃易爆等惡劣環(huán)境中的信息測量、傳輸和生產(chǎn)過程的控制。90年代，由東芝、日本電氣等l5家公司和研究機(jī)構(gòu)，研究開發(fā)出12種具有一流水平的民用光纖傳感器，其中最有代表性的是波長掃描型光纖溫度傳感器。它是光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可把分散在工廠各場所的信息進(jìn)行時(shí)序化處理，并以全光方式收集。由于該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不使用電氣器件，安全防爆，特別適合于煉油廠、化工廠的各種過程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)際上是集光纖材料、光纖傳感器件、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)于一

10、體，其產(chǎn)品在國際市場上具有廣闊發(fā)展前景。西歐各國的大型企業(yè)和公司也積極參與了光纖傳感器的研究與開發(fā)和市場競爭，其中包括英國的標(biāo)準(zhǔn)電訊公司、法國的湯姆遜公司和德國的西門子公司等。3 我國光纖傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀 1983年我國也開始了光纖傳感器的研究工作，并在“七五”規(guī)劃中提出了該項(xiàng)傳感器研究項(xiàng)目。其起步時(shí)問與國際相差不遠(yuǎn)。目前，我國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02。hr；中國計(jì)量

11、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)。同時(shí)國家以研究光纖傳感器關(guān)鍵技術(shù)為重點(diǎn)，加大了有關(guān)科技攻關(guān)的力度，在光纖傳感器產(chǎn)品化方面取得了明顯的效果。如國家批準(zhǔn)武漢理工大學(xué)承擔(dān)“光纖傳感技術(shù)國家工業(yè)性試驗(yàn)基地”項(xiàng)目，通過對一些關(guān)鍵技術(shù)如敏感材料的工程化技術(shù)、光纖傳感器共有制造技術(shù)、光纖傳感器工程技術(shù)及器件、儀表進(jìn)行攻關(guān)，以提高我國光纖傳感器及其生產(chǎn)技術(shù)水平。該項(xiàng)目已通過國家級驗(yàn)收，其關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。我國在90年代末期，培育若干具有國際競爭力的企業(yè)集團(tuán)及重點(diǎn)產(chǎn)品研制與生產(chǎn)基地，大幅度增加投資力度，僅武漢科技大學(xué)承擔(dān)的“光纖傳感

12、器國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工作”項(xiàng)目，投資額度就達(dá)1億。另我國在光纖傳感器的新產(chǎn)品研究開發(fā)方面取得了可喜的成績，例如在高溫傳感器和光纖光柵傳感器方面獲得了重大突破，特別是高溫傳感器處于較先進(jìn)的水平。該光纖高溫傳感器針對傳統(tǒng)的鉑銠絲熱電偶壽命短、價(jià)格高、消耗大等弊病和非接觸式高溫輻射溫度計(jì)測量誤差大等問題，首創(chuàng)采用了“接觸一非接觸式”測量方法來實(shí)現(xiàn)高溫測量。該傳感器具有精確度高、耐腐蝕、抗電磁干擾、成本低、使用壽命長等特點(diǎn)，可適用于多種高溫爐體，特別是一些高電壓、大電流、強(qiáng)磁場、強(qiáng)輻射等惡劣環(huán)境，是替代傳統(tǒng)的鉑銠絲熱電偶的最佳選擇。該傳感器已經(jīng)在化工和冶金行業(yè)得到使用，取得了很好的應(yīng)用效果。雖然我國

13、在光纖傳感器領(lǐng)域上已取得了一些成就，但同美國、西歐及h本等國家相比還有很大的差距，但同時(shí)也正是這種差距讓我們看到了光纖傳感器的美好前景。4 光纖傳感器的發(fā)展趨勢光纖傳感器具有很多的優(yōu)點(diǎn)，是對以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器的革命性變革，發(fā)展前景是極其光明的。光纖傳感器正從最早的軍用向民用轉(zhuǎn)變，它正被用于城市建設(shè)、土木工程和環(huán)境監(jiān)測、電力系統(tǒng)、航空航天、醫(yī)學(xué)及生物傳感器等領(lǐng)域。就光纖傳感器而言，據(jù)第l5屆國際光纖傳感器會議統(tǒng)計(jì)在fos市場份額中，“應(yīng)力” 占23 ， “溫度” 占172 ， “氣壓聲學(xué)” 占152 ， “電流電壓” 占122 ， “化學(xué)氣體” 占113 。就傳感器類型來說， “光纖光柵”

14、占442 ， “分光計(jì)” 占111 ，“散射反射” 占10 ，“fraday旋光效應(yīng)” 占69 ，“熒光黑體” 占66 ，“fog” 占44。無論哪一種光纖傳感器，目前來看，其發(fā)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，要能對多種物理量進(jìn)行同時(shí)測量。(2)高性能。提高分布式傳感器的空問分辨率、靈敏度，降低其成本，設(shè)計(jì)復(fù)雜的傳感器網(wǎng)絡(luò)工程；注意分布式傳感器的參數(shù)，即壓力、溫度，特別是化學(xué)參數(shù)(碳?xì)浠衔?、一些污染物、濕度、ph值等)對光纖的影響。(3)新材料。傳感器用非凡光纖材料和器件的研究。例如：增敏和去敏光纖、熒光光纖、電極化光纖的研究等。這些將是以后傳感器進(jìn)一步發(fā)

15、展的趨勢。(4)新技術(shù)。光纖連接器及與其他微技術(shù)(微機(jī)械、微流態(tài)學(xué)、噴鍍薄膜等)結(jié)合的微光學(xué)技術(shù)。(5)在惡劣條件下(高溫、高壓、化學(xué)腐蝕)低成本傳感器(支架、連接、安裝)的開發(fā)和應(yīng)用。(6)新傳感機(jī)理的研究，開拓新型光纖傳感器。總之，光纖傳感器的發(fā)展趨勢是最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化。5 結(jié)束語就目前fos的現(xiàn)狀做了簡要介紹。隨著光纖制作工藝的發(fā)展，他必然會用到傳感器方面。因此，fos是隨著通信技術(shù)一起發(fā)展的。fos有著諸多顯著的優(yōu)點(diǎn)，高靈敏度、抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕。耐用，能夠多路或多點(diǎn)傳感。在未來的傳感器的世界里，光纖傳感器將成為這個(gè)龐大家族的主流；二人類也隨著傳感器的商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化而受益匪淺。參考文獻(xiàn)1 徐開先實(shí)用新型傳感器及其應(yīng)用沈陽：