光纖傳感器的今日發(fā)展概況

1、光纖傳感器的今日的發(fā)展概況一、引言 隨著密集波分復(fù)用DWDM技術(shù)、摻鉺光纖放大器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(wú)二的優(yōu)勢(shì)，已迅速成長(zhǎng)為年成交額超過(guò)10億美金，并預(yù)計(jì)將于2010年擁有超過(guò)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

2、性研究與應(yīng)用開(kāi)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(kāi)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(kāi)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)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

3、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(guò)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(lái)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（SMART MATERIALS）、光纖陀螺與慣導(dǎo)系統(tǒng)（IFOG，IM

4、IU ）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(guò)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(kāi)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0.2/hr ； 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，還建立了許多光纖無(wú)源器件生產(chǎn)廠家。由于光纖傳感器未能跨越產(chǎn)品

5、化的門(mén)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、光纖傳傳感器的的原理性性研究 11、光纖纖布拉格格光柵 光纖布布拉格光光柵FBBG于119788年問(wèn)世世1，這種種簡(jiǎn)單的的固有傳傳感元件件，可利利用硅光光纖的紫紫外光敏敏性寫(xiě)入入光纖芯芯內(nèi)，圖圖1描述述了光纖纖光柵的的基本原原理。常常見(jiàn)的FFBG傳傳感器通通過(guò)測(cè)量量布拉格格波長(zhǎng)的的漂移實(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)被被測(cè)量的的檢測(cè)，光光柵布拉拉格波長(zhǎng)長(zhǎng)(BB)條件件可以由由式（11）表示示：式中，光柵周周期； n折折射率。當(dāng)寬譜光源源入射到到光纖中

6、中，光柵柵將反射射其中以以布拉格格波長(zhǎng)llB為中中心波長(zhǎng)長(zhǎng)的窄譜譜分量。在在透射譜譜中，這這一部分分分量將將消失，llB隨應(yīng)應(yīng)力與溫溫度的漂漂移為 2： 其其中，外加加應(yīng)力； Pii,j光纖的的光彈張張量系數(shù)數(shù)； 泊松松比； 光光纖材料料（如石石英）的的熱膨脹脹系數(shù)； F溫溫度變化化量。 上式中中： 因子子典型值值為0.22。因因此，可可以推導(dǎo)導(dǎo)出在常常溫和常常應(yīng)力條條件下的的FBGG應(yīng)力和和溫度響響應(yīng)條件件如式下下：11pm的的波長(zhǎng)分分辨率大大致對(duì)應(yīng)應(yīng)于1.3mmm處0.11或1mme的溫溫度和應(yīng)應(yīng)力測(cè)量量精度。 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

7、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(jiàn)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)

8、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啁啾光柵、斜光柵等2，它們也已付諸應(yīng)用研究6。 2、分分布式光光纖傳感感系統(tǒng) 在世界界范圍內(nèi)內(nèi)，由于于對(duì)工民民建和工工業(yè)設(shè)施施安全性性和效益益要求的的不斷提提高，對(duì)對(duì)集成的的安全檢檢測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)的需求求逐步攀攀升。具具備可連連續(xù)、無(wú)無(wú)間斷、長(zhǎng)長(zhǎng)距離測(cè)測(cè)量并與與被測(cè)量量介質(zhì)有有極強(qiáng)的的親和性性的分布布式光纖纖傳感系系統(tǒng)似乎乎正是為為此而量量身定做做的。分分布式光光纖傳感感系統(tǒng)通通常有三三種類型型：拉曼曼型、布布里淵型型和FBBG型。 拉曼型分布式光纖傳感系統(tǒng)是基于光纖拉曼

9、散射效應(yīng)的連續(xù)型傳感器，其工作原理見(jiàn)圖6。三種類型的傳感系統(tǒng)的應(yīng)用都已見(jiàn)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）。 FBBG型分分布式傳傳感系統(tǒng)統(tǒng)在應(yīng)力力多點(diǎn)分分布式測(cè)測(cè)量中有有獨(dú)到的的優(yōu)點(diǎn)，并并可同時(shí)時(shí)完成溫溫度和應(yīng)應(yīng)力的雙雙參量測(cè)測(cè)量55，為為FBGG應(yīng)用開(kāi)開(kāi)辟了更更為廣闊闊的前景景。圖88介紹了了采用WWDM/TDMM解調(diào)的的FBGG陣列的的拓?fù)浣Y(jié)結(jié)構(gòu)44。三、光纖傳傳感器產(chǎn)產(chǎn)品的應(yīng)應(yīng)用與開(kāi)開(kāi)發(fā) 光纖傳傳感器的的應(yīng)用開(kāi)開(kāi)發(fā)根據(jù)據(jù)當(dāng)前的的應(yīng)用熱熱點(diǎn)領(lǐng)域域和技術(shù)術(shù)類型可可大致分分為四個(gè)個(gè)大的方方向：光光（纖）層層析成像像分析技技術(shù)OCCT、光光纖

10、智能能材料（SSMARRT MMATEERIAAL）、光光纖陀螺螺與慣導(dǎo)導(dǎo)系統(tǒng)、以以及常規(guī)規(guī)工業(yè)工工程傳感感器。220022年是光光纖陀螺螺（I-FOGG）誕生生的255周年，在在第155屆OFFS年會(huì)會(huì)上，特特別為光光纖陀螺螺開(kāi)辟了了專題會(huì)會(huì)場(chǎng)。 11、光層層析成像像技術(shù) 光光纖層析析成像分分析技術(shù)術(shù)從興起起到應(yīng)用用不過(guò)只只有二、三三十年的的時(shí)間，根根據(jù)不同同的原理理和應(yīng)用用場(chǎng)合，可可將光纖纖層析技技術(shù)分為為光相干干層析成成像分析析(OCCT)和和光過(guò)程程層析成成像分析析技術(shù)(OPTT)。 光層層析成像像技術(shù)源源于X射射線層析析成像分分析（CCT），其其基本原原理如圖圖9所示示。當(dāng)XX射線或

11、或光線傳傳輸經(jīng)過(guò)過(guò)被測(cè)樣樣品時(shí)，不不同的樣樣品材料料對(duì)射線線的吸收收特性有有不同，因因此對(duì)經(jīng)經(jīng)過(guò)樣品品的射線線或光線線進(jìn)行測(cè)測(cè)量、分分析，并并根據(jù)預(yù)預(yù)定的拓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)進(jìn)行解解算就可可以得到到所需要要的樣品品參數(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(kāi)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OCT設(shè)備。此外，

12、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(guò)程測(cè)量問(wèn)題。由于OPT所關(guān)心的是光線路徑上的積分過(guò)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(guò)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)件或材料常規(guī)

13、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(wèn)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(lái)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（SMART SOLDIER）和智能型降落傘（SMART PARACHUTE）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(guò)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)用也日趨廣泛，

14、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(kāi)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)10。 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0.001/hr，許多產(chǎn)品已經(jīng)投入民用飛機(jī)和汽車工業(yè)。未來(lái)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Mitsubishi Precision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)

16、用光纖的電光和磁光效應(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 Transport S.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。四、新型光光纖材料料與器件件

17、光纖通信的的迅猛發(fā)發(fā)展帶動(dòng)動(dòng)新型光光纖器件件和材料料的不斷斷涌現(xiàn)，為為光纖傳傳感系統(tǒng)統(tǒng)的開(kāi)發(fā)發(fā)提供了了必要的的基礎(chǔ)。新新型材料料光纖和和新型結(jié)結(jié)構(gòu)光纖纖前景看看好。 以SiiO2材材料為主主的光纖纖，工作作在0.8mm1.6mm的近紅紅外波段段，目前前所能達(dá)達(dá)到的最最低理論論損耗在在15550nmm波長(zhǎng)處處為0.16ddBkkm，已已接近石石英光纖纖理論上上的最低低損耗極極限，成成為滿足足超寬帶帶寬、超超低損耗耗、高碼碼速通信信需要新新型基體體材料的的光纖。 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2.5m附近為110-3dBkm，無(wú)中繼距離可達(dá)到1105km以上。硫化物

18、玻璃光纖具有較寬的紅外透明區(qū)域（1.2m 12m），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6m波長(zhǎng)處為0.2dBkm，是非常有前途的光纖。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(kāi)關(guān)的速率，使開(kāi)關(guān)速率達(dá)到數(shù)百Gbs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(lái)，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400500，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

19、合物（LSP）涂層的熱固化溫度達(dá)400以上，600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)（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(wèn)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(kāi)發(fā)出的“無(wú)水峰光纖”，可實(shí)現(xiàn)1350nm

20、1450nm第五窗口的實(shí)際應(yīng)用。美國(guó)Lucent公司開(kāi)發(fā)出的All Wave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”型、“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(jiàn)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(yǔ)語(yǔ) 隨著光光電子技技術(shù)近年年來(lái)突飛飛猛進(jìn)的的發(fā)展，光光纖傳感感技術(shù)經(jīng)經(jīng)過(guò)二十十余年的的發(fā)展也也已獲得得長(zhǎng)足的的進(jìn)步，其其主要體體現(xiàn)在： 1、進(jìn)進(jìn)入實(shí)用用化階段段，逐步步形成傳傳感領(lǐng)域域的