淺談光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

唐江凌 胡君輝

【摘 要】隨著光纖技術(shù)的不斷進(jìn)步，光纖傳感技術(shù)在很多的領(lǐng)域得到應(yīng)用與發(fā)展。文章概述了光纖傳感技術(shù)的特點(diǎn)、分類，介紹了光纖傳感技術(shù)的新近應(yīng)用與發(fā)展，以期激發(fā)更多的科研工作者投身光纖傳感技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)，讓光纖傳感技術(shù)在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)研究方面發(fā)揮更重要的作用。

【關(guān)鍵詞】光纖傳感技術(shù);應(yīng)用;發(fā)展

中圖分類號(hào)： TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）02-0052-002

【Abstract】With the continuous progress of optical fiber technology， optical fiber sensing technology has been applied and developed in many fields. This paper summarizes the characteristics and classification of optical fiber sensing technology and introduces the recent application and development of optical fiber sensing technology. This is to stimulate more investigator to participate in the innovative research and development of optical fiber sensing technology.

【Key words】Optical fiber sensing technology; Application; Development

光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的傳感技術(shù)，是以光纖通訊技術(shù)、電子器件技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。光纖傳感技術(shù)在光電技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用中占有十分重要的地位，是衡量一個(gè)國家信息化程度的重要標(biāo)志。

1 光纖傳感技術(shù)概述

光纖傳感技術(shù)利用外界量引起的光纖中傳播的光的特征參量變化（如波長(zhǎng)、頻率、相位、強(qiáng)度、偏振態(tài)等），對(duì)外界量進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸。

1.1 光纖傳感技術(shù)的分類[1]

根據(jù)被外界量調(diào)制的光的特征參量的變化情況，通?？蓪⒐饫w傳感技術(shù)分為光波長(zhǎng)調(diào)制、光頻率調(diào)制、光相位調(diào)制、光強(qiáng)度調(diào)制和光偏振調(diào)制等五種類型。

光波長(zhǎng)調(diào)制：其基本原理是利用外界量（被測(cè)量）改變光纖中光的波長(zhǎng)，再通過測(cè)量光纖中光的波長(zhǎng)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界量的測(cè)量。目前用于光波長(zhǎng)調(diào)制的方法主要是光學(xué)選頻和濾波。

光頻率調(diào)制：利用外界量（被測(cè)量）對(duì)光纖中傳輸?shù)墓獠l率進(jìn)行調(diào)制，通過測(cè)量光纖中光的頻率的變化來測(cè)量外界量。目前光頻率調(diào)制技術(shù)主要利用多普勒效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。

光相位調(diào)制：利用外界量（被測(cè)量）改變光纖中光的相位，通過檢測(cè)相位變化來測(cè)量外界量的稱為光相位調(diào)制。因?yàn)楣獠ǖ南辔挥晒鈧鞑サ奈锢黹L(zhǎng)度、傳播介質(zhì)的折射率及其分布等參數(shù)決定，只要改變上述參數(shù)即可產(chǎn)生光波相位的變化，實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。

光強(qiáng)度調(diào)制：利用外界量（被測(cè)量）的擾動(dòng)改變光纖中光的強(qiáng)度，再通過測(cè)量輸出光強(qiáng)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)外界量的測(cè)量。

光偏振調(diào)制：利用外界量（被測(cè)量）通過一定的方式使光纖中光波的偏振面發(fā)生規(guī)律性偏轉(zhuǎn)（旋光）或產(chǎn)生雙折射，從而導(dǎo)致光的偏振特性變化，通過檢測(cè)光偏振態(tài)的變化，測(cè)出外界被測(cè)量。

1.2 光纖傳感技術(shù)的特點(diǎn)[2]

與傳統(tǒng)傳感技術(shù)相比較，光纖傳感技術(shù)擁有以下特點(diǎn)：

（1）精度高。光纖傳感技術(shù)利用光作為信息載體，具有光學(xué)測(cè)量高靈敏度的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)某些精密測(cè)量。

（2）抗電磁干擾。光纖傳感系統(tǒng)用光纖作為傳遞信息的媒質(zhì)，傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)，因此可以抵抗電磁干擾，特別適用于大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)輻射等環(huán)境。

（3）使用壽命長(zhǎng)。光纖的主要材料是石英，外裹高分子材料的包層，這使得它具有相對(duì)于金屬傳感器更大的耐久性。

（4）測(cè)量對(duì)象廣泛?？梢詼y(cè)量壓力、位移、溫度、速度、濃度、PH值等各種物理量、化學(xué)量、生物量等。

（5）可分布式測(cè)量。利用光纖可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離連續(xù)測(cè)控，并由此形成大范圍、連續(xù)式的監(jiān)測(cè)區(qū)。

2 光纖傳感技術(shù)發(fā)展

近年光纖傳感技術(shù)取得了較快的發(fā)展，其中比較突出地體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.1 分布式光纖傳感技術(shù)[3]

分布式光纖傳感技術(shù)利用光纖作為傳輸信號(hào)介質(zhì)，同時(shí)利用光纖作為傳感敏感元件，能夠沿著光纖鋪設(shè)路徑連續(xù)地對(duì)被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)獲取在傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨空間和時(shí)間變化的被測(cè)量的分布信息。分布式光纖傳感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大范圍、長(zhǎng)距離、長(zhǎng)期的連續(xù)傳感，是今后光纖傳感器的一個(gè)重要發(fā)展方向。當(dāng)前分布式光纖傳感技術(shù)主要包括：基于自發(fā)及受激拉曼散射的分布式傳感技術(shù)，后向瑞利散射分布式光纖傳感技術(shù)，前向傳輸模耦合技術(shù)以及基于自發(fā)及受激布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)等。這些技術(shù)都是建立在各種散射機(jī)理基礎(chǔ)上的，它們大都擁有具有原理簡(jiǎn)單、成本低、溫度分辨率高、空間分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 光纖光柵傳感技術(shù)[4]

光纖光柵傳感技術(shù)是一種典型的光波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感技術(shù)。光纖光柵傳感技術(shù)機(jī)理為：被測(cè)量（溫度、壓力、壓強(qiáng)、位移、加速度、應(yīng)變、電流、電壓、頻率、磁場(chǎng)、濃度、振動(dòng)等）作用于光纖光柵上，從而使光纖光柵的反射和透射譜發(fā)生變化。通過檢測(cè)光纖光柵反射譜或透射譜的變化，就可以獲得相應(yīng)的被測(cè)量信息。光纖光柵傳感技術(shù)的一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是可以組成陣列傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分布式傳感。目前，國內(nèi)外已經(jīng)開展了廣泛而深入的研究并且取得了很多重要的研究成果，其主要技術(shù)有波分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用以及混合復(fù)用。

2.3 微納光纖傳感技術(shù)

微納光纖傳感技術(shù)中使用的光纖，其直徑接近或小于傳輸光波長(zhǎng)，具有尺寸小、表面光滑、直徑均勻性好、機(jī)械性能高、光場(chǎng)約束能力強(qiáng)、強(qiáng)倏逝場(chǎng)、表面場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)及反常波導(dǎo)色散等特性，在制備靈敏度高、響應(yīng)速度快、能耗低的緊湊型光纖傳感器方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。其機(jī)理為：當(dāng)被測(cè)量發(fā)生微小擾動(dòng)時(shí)，通過散射、吸收、色散、發(fā)光等方式改變微納光纖傳輸光的特性，可使輸出光的強(qiáng)度、相位等發(fā)生變化，進(jìn)而測(cè)算出被測(cè)量信息。按照傳感變量的不同，微納光纖傳感技術(shù)可分為強(qiáng)度型傳感技術(shù)和相位型傳感技術(shù)等。當(dāng)前，微納光纖傳感技術(shù)面臨的主要問題有：微納光纖傳感器的集成與封裝、微納光纖的大規(guī)?？煽刂苽涞?。

2.4 智能化光纖傳感技術(shù)[5]

目前光纖傳感的智能化主要體現(xiàn)在光纖傳感技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的融合。智能化光纖傳感技術(shù)，使用單片機(jī)、虛擬儀器以及DSP芯片等方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及信號(hào)的獲取、傳輸、存儲(chǔ)、控制、處理。通過多層次的計(jì)算功能（如時(shí)頻分析、現(xiàn)代譜分析等），實(shí)現(xiàn)各種智能化功能，使傳感成為集數(shù)據(jù)及信號(hào)獲取、傳輸、存儲(chǔ)、控制、處理于一體的多功能系統(tǒng)。

3 光纖傳感技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用

當(dāng)前，光纖傳感技術(shù)已廣泛用于國防軍事、建筑工程、能源電力、生物學(xué)及醫(yī)療等領(lǐng)域。

3.1 國防軍事領(lǐng)域

在空防領(lǐng)域，光纖轉(zhuǎn)動(dòng)傳感技術(shù)利用光纖轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器測(cè)量導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)過程中的俯仰角、偏航角和橫滾角，以精確引導(dǎo)導(dǎo)彈命中目標(biāo)。

在海防領(lǐng)域，由于潛艇噪聲降低，傳統(tǒng)的電聲納探測(cè)靈敏度接近極限值，基于干涉型的光纖水聽技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于構(gòu)建海防警戒系統(tǒng)。

3.2 建筑工程領(lǐng)域

應(yīng)用于工程領(lǐng)域的光纖傳感技術(shù)主要有光纖光柵傳感技術(shù)、拉曼光時(shí)域反射技術(shù)、布里淵光時(shí)域分析技術(shù)等。這些技術(shù)利用，在建筑中預(yù)埋傳感器，可以監(jiān)測(cè)應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及滲流場(chǎng)等的變化，從而評(píng)估建筑短期施工狀態(tài)和長(zhǎng)期營運(yùn)狀態(tài)。

3.3 能源電力領(lǐng)域

能源電力行業(yè)中很多工作環(huán)境是處于高輻射、高電磁干擾之下。光纖傳感技術(shù)中使用的傳感器具有抗輻射、抗電磁干擾能力，目前已經(jīng)開始使用于能源電力領(lǐng)域。例如：基于光時(shí)域反射技術(shù)的分布式光纖傳感技術(shù)就在高壓測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。

3.4 生物學(xué)及醫(yī)療領(lǐng)域

近年來，光纖表面等離子激元共振傳感技術(shù)在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用。光纖表面等離子激元共振傳感技術(shù)克服了傳統(tǒng)等離子激元共振技術(shù)檢測(cè)系統(tǒng)體積大、儀器價(jià)格昂貴、維護(hù)成本高、難于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)及在線監(jiān)測(cè)等局限，具備特異識(shí)別功能強(qiáng)、響應(yīng)速度快、分辨率高、靈敏度高等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)靈巧系統(tǒng)、在線遙測(cè)及免標(biāo)記生化測(cè)量等，有效地推動(dòng)了相關(guān)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和普及。

4 我國光纖傳感技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用方向

我國的光纖傳感技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是也還有不少待研究解決的課題，今后發(fā)展和應(yīng)用方向有：

（1）如何提高分布式傳感的空間分辨率、靈敏度，以便設(shè)計(jì)復(fù)雜的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。

（2）如何提高光纖傳感系統(tǒng)的多用途性，使得光纖傳感系統(tǒng)能夠?qū)Ω鞣N物理量、化學(xué)量、生物量進(jìn)行多種測(cè)量。

（3）如何通過改進(jìn)接口技術(shù)等方法使得光纖傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化。

（4）如何降低光纖傳感系統(tǒng)成本，促使其產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化等。

5 結(jié)束語

隨著我國改革開放的進(jìn)一步深入，我國國防軍事、建筑工程、能源電力、生物學(xué)及醫(yī)療等領(lǐng)域必將迎來新的高速發(fā)展時(shí)期。把光纖傳感技術(shù)應(yīng)用到這些領(lǐng)域中，將會(huì)推動(dòng)這些行業(yè)加速發(fā)展，更好地滿足國家建設(shè)需求。

【參考文獻(xiàn)】

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