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光纤传感器的发展前景

国内市场上,应用最为广泛的光纤传感技术当属布拉格光纤光栅和基于光时域反射的分布式传感器,这种技术基本上可以满足中低端市场的需求。而现在光谱线宽窄至2kHz的单频光纤激光器及其引申出来的最新一代光传感技术,这与传统的光纤传感有很大的区别,它可以进行超远距离的传输,精度和敏感度能达到更高的要求,这在高端市场上需求很大,21世纪初,该项技术在国内尚处于立项和预研阶段。国内市场上光纤传感器应用主要在以下四种:光纤陀螺、光纤光栅传感器、光纤电流传感器和光纤水听器。下面对这四种产品分别介绍一下。

一、光纤陀螺。 光纤陀螺按原理可分为干涉型、谐振型和布里渊型,这是三代光纤陀螺的代表。第一代干涉型光纤陀螺,21实际初期,该项技术就已经成熟,适合进行批量生产和商品化;第二代谐振型光纤陀螺,暂时还处于实验室研究向实用化推进的发展阶段;第三代布里渊型,它还处于理论研究阶段。光纤陀螺结构根据所采用的光学元件有三种实现方法:小型分立元件系统、全光纤系统和集成光学元件系统。21世纪初期,分立光学元件技术已经基本退出,全光纤系统用在开环低精度、低成本的光纤陀螺中,集成光学器件陀螺由于其工艺简单、总体重复性好、成本低,所以在高精度光纤陀螺很受欢迎,是其主要实现方法。

二、光纤光栅传感器。 目前国内外传感器领域的研究热点之一光纤布拉格光栅传感器。传统光纤传感器基本上可分为两种类型:光强型和干涉型。光强型传感器的缺点在于光源不稳定,而且光纤损耗和探测器容易老化;干涉型传感器由于要求两路干涉光的光强同等,所以 需要固定参考点而导致应用不方便。21世纪初期开发的以光纤布拉格光栅为主的光纤光栅传感器可以避免出现上面两种情况,其传感信号为波长调制、复用能力强。在建筑健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等应用中,光纤光栅传感器是最理想的灵敏元件。光纤光栅传感器在地球动力学、航天器、电力工业和化学传感中有广泛的应用。

三、光纤电流传感器。电力工业的迅猛发展带动电力传输系统容量不断增加,运行电压等级也越来越高,电流也越来越大,这样测量起来就非常困难,这就显现出光纤电流传感器的优点了。在电力系统中,传统的用来测量电流的传感器是以电磁感应为基础,这就存在以下缺点:它容易爆炸以至引起灾难性事故;大故障电流会造成铁芯磁饱和;铁芯发生共振效应;频率响应慢;测量精度低;信号易受干扰;体积重量大、价格昂贵等等,已经很难满足新一代数字电力网的发展需要。这个时候光纤电流传感器应运而生。

四、光纤水听器。 光纤水听器主要用来测量水下声信号,它通过高灵敏度的光纤相干检测,将水声信号转换为光信号,并通过光纤传至信号处理系统进行识别。与传统水听器相比,光纤水听器具有灵敏度高、响应带宽宽、不受电磁干扰等特点,广泛用于军事和石油勘探、环境检测等领域,具有很大的发展潜力。光纤水听器按原理可分为干涉型、强度型、光栅型等。干涉型光纤水听器关键技术已经逐步发展成熟,在部分领域形成产品;光纤光栅水听器则是当前研究的热点,研究的关键技术涉及光源、光纤器件、探头技术、抗偏振衰落技术、抗相位衰落技术、信号处理技术、多路复用技术以及工程技术等。

光纤传感器技术是建立在光纤、光通信和光电子技术的基础上发展起来的,电磁干扰和腐蚀作用对它的影响很小,还能适应各种恶劣的气象环境,不要额外的电源进行供电,就可以长距离的进行传输,已成为传感器行业的研究热点。

传感器一直朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中,光纤传感器这个传感器家族的新成员倍却是倍受青睐。

光纤具有很多优异的性能,例如:抗电磁干扰和原子辐射的性能。光纤传感器应用于对磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。其应用范围十分广泛。因此我们可以说光纤传感器具有很大的市场需求,不说长久,至少在未来5年,光纤传感器将会有广阔的发展前景。

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。

光纤传感器技术发展的主要方向是:(1)多用途。即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量,要能够对多种物理量进行同时测量。(2)提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度,降低其成本,设计复杂的传感器网络工程。注意分布式传感器的参数,即压力、温度,特别是化学参数(碳氢化合物、一些污染物、湿度、PH值等)对光纤的影响。(3)新型传感材料、传感技术等的开发。(4)在恶劣条件下(高温、高压、化学腐蚀)低成本传感器(支架、连接、安装)的开发和应用。(5)光纤连接器及与其它微技术结合的微光学技术。

光纤传感运用主要分为五大方向:

(1)石油和天然气——油藏监测井下的P/T传感、地震阵列、能源工业、发电厂、锅炉及蒸汽涡轮机、电力电缆、涡轮机运输、炼油厂;

(2)航空航天——喷气发动机、火箭推进系统、机身;

(3)民用基础建设——桥梁、大坝、道路、隧道、滑坡;

(4)交通运输——铁路监控、运动中的重量、运输安全;

(5)生物医学——医用温度压力、颅内压测量、微创手术、一次性探头。


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