新一代光纤传感器.doc

新一代光纤传感器电子信息工程专业07.1班徐澜清20072410136新一代光纤传感器摘 要新一代传感器的设计对于传感领域的科技创新及技术进步具有十分重要的意义，研制结构新颖、功能优异的传感器一直是科研人员和企业人士的追求目标。微结构光纤及其光栅的出现为新一代光纤传感器的设计与研制提供了广阔的创造空间。新型光纤电流传感器、改进型新一代D型光纤消逝场传感器、新一代微纳光纤珐珀传感器等新型的光纤传感器反应时间快，灵敏度高，实时性好，这些新型的传感器代表了当今传感器的研究方向。关键词：微结构光纤；光纤电流传感器；光纤消逝场传感器；微纳光纤珐珀传感器AbstractThe design of a new generation of sensors sensing the technological innovation and technological progress is of great significance, the development of novel structure, function of the sensor has been outstanding scientists and business people in the pursuit of goals. Microstructure fiber and its emergence as a new generation of fiber optic grating sensor design and development to provide a broad creative space. Novel optical fiber current sensor, improved generation of D-fiber evanescent field sensor, a new generation of micro-nano sensors and other new optical fiber Fabry Perot optical fiber sensor fast response time, high sensitivity, real time, these new sensors behalf of the current sensor Direction.Key word：Microstructure fiber、Optical Fiber Current Sensor、Evanescent wave fiber optic sensor、Micro-nano fiber Fabry Perot sensor引言：光纤传感器，英文名称：optical fiber transducer 。航空科技领域定义其为利用光导纤维的传光特性，把被测量转换为光特性(强度、相位、偏振态、频率、波长)改变的传感器；机械工程定义其为利用光纤技术和光学原理，将感受的被测量转换成可用输出信号的传感器。近年来，传感器在朝着灵敏、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，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。0光纤传感器的特点与传统的传感器相比，光纤传感器的主要特点如下：（1）抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全。 由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感。（2）灵敏度高。 利用长光纤和光波干涉技术使不少光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。其中有的已由理论证明，有的已经实验验证，如测量转动、水声、加速度、位移、温度、磁场等物理量的光纤传感器。（3）重量轻，体积小，外形可变。光纤除具有重量轻、体积小的特点外，还有可挠的优点，因此利用光纤可制成外形各异、尺寸不同的各种光纤传感器。这有利于航空、航天以及狭窄空间的应用。（4）测量对象广泛。目前已有性能不同的测量温度、压力、位移、速度、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、电场、磁场、电压、杂质含量、液体浓度、核辐射等各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。（5）对被测介质影响小。 这对于医药生物领域的应用极为有利。（6）便于复用，便于成网。有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络。（7）成本低。 有些种类的光线传感器的成本将大大地预计现有同类型传感器。1新型光纤传感器概述新一代传感器的设计对于传感领域的科技创新及技术进步具有十分重要的意义，研制结构新颖、功能优异的传感器一直是科研人员和企业人士的追求目标。1970年低损耗光纤的研制成功，极大地改变了传感器的设计方式，并以其具有的高灵敏度、宽频带、抗电磁干扰、柔韧灵巧、易埋植和贴敷等优良特性，使光纤传感器迅速成为传感器家族的新贵。这种低损耗光纤由纤芯、包层、涂覆层组成，因其结构简单，一般称之为常规光纤( General Optical Fiber ，GOF) 。GOF 的特点是纤芯折射率高于包层折射率，光波以全内反射方式在光纤中传输。在GOF 中，通过物理的或化学的方式，可以沿纤芯轴向引入周期性的结构变化，即光纤光栅( General Optical Fiber Grating ，GOFG) 。自1989 年紫外侧写光纤光栅技术发明以来，布喇格、长周期等诸多类型的光纤光栅相继写制成功，以光纤光栅为基质的传感器的设计和研制，迅速成为新型光纤传感器的研究热点。当前，GOF 的结构已经发生变革，人们凭借超凡的想象力，在GOF 中引入了多种微结构。1996 年出现的带有空气孔结构的光纤，使光纤的微结构化成为可能。微结构光纤(Microst ruct ure Optical Fiber ，MOF) 是一种新型波导，又称多孔光纤( Holey Fiber ，HF) 或光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber ，PCF) 。MOF 沿轴向均匀排列着微孔，端面存在周期性的二维结构。与GOF 相比，由于引进了微结构，使MOF 具有独特的光学特性：如极宽单模传输、高非线性、大模场面积、可控色散等。与GOF 光栅相类似，采用紫外侧写技术或CO2 热激技术，也可以在MOF 中写制光栅，即微结构光纤光栅(Microst ruct ure Optical Fiber Grating ，MOFG) 。布喇格和长周期微结构光纤光栅的首次写制完成于1999 年，MOFG具有比GO2FG更为丰富的结构和光学特性。改变MOF 中的微孔排列、大小以及占空比，双芯或多芯设计，或者将特殊介质载入微孔，均可改变微结构光纤及其光栅的光学性质，获得优于GOF 及GOFG的传感特性。因此，微结构光纤及其光栅的出现为新一代光纤传感器的设计与研制提供了广阔的创造空间。2 新一代光纤电流传感器新一代光纤电流传感器主要是用光纤检测技术构成电流互感器对电流进行测量。电流互感器工作原理和光纤检测技术对电流进行测量的。系统的整体工作思路是以电流热效应为基础的，整个电流的检测过程可以概况为：被测电流变化 热量变化温度变化 荧光衰减时间变化 光纤信息传输光电转换信号处理。电流-温度转换单元温度测量单元光学系统激励光控制电路光电转换电路信号放大电路PC机信号处理系统带气隙的铁芯线圈互感器光纤传输图1 新一代光纤电流传感器原理示意图根据以电流热效应为基础的整体设计思路，把高压侧的一次电流转化为低压侧的二次电流，二次电流通过电流-温度转化单元，即利用薄膜电阻作为电流温度转化器件，通过测量薄膜电阻的温升间接达到测量电流的目的。对温度的测量是通过荧光光纤测量温度的方法来完成的。荧光材料受激励光的激发产生荧光，当激励脉冲消失时，荧光材料由于自身的特点产生余辉，余辉衰减时间是温度的函数，把余辉衰减信号经过光电转换和信号放大电路传输到PC机上，对采集到的数据进行分析就可以间接得到被测的温度，进而对被测电流进行测量。在本系统中，薄膜电阻是电热转化的关键器件，二次电流通过薄膜电阻产生一定的热功率，并使薄膜电阻温度升高。薄膜电阻温度的变化和二次电流的大小有一定的对应关系，用光纤测温法可以测得薄膜电阻的温度，重点研究的是薄膜电阻温度和二次电流的关系。本文突破了传统的光纤电流传感器测量电流的方法，系统以带气隙的铁心线圈作为高压电部分的电流传感器，并把传感出的小电流信号加载到电热器件上，通过对电热器件的温升测量达到间接测量电流的目的。用 ANSYS 仿真软件研究了关键器件薄膜电阻的热稳定性。根据薄膜电阻器的结构和实际的测试条件，利用有限元软件ANSYS 建立了薄膜电阻器的三维模型，并对其进行了热分析，得到了装置的温度场分布。3 新一代D型光纤消逝场传感器光在光纤中传播时，会在芯层和包层的界面上形成消逝场。光纤中由于包层为非吸收介质，不会引起光纤中传输能量的减少。当把光纤研磨成D形后，光纤上面的包层被除掉，消逝场会与被测物质发生作用而引起能量的吸收，反映为光纤输出光强的减少。通过检测光纤输出光强的大小就可以反推出被测物质溶液浓度的大小，这就是传感器的作用机理。d p 是消逝场的穿透深度,定义为当能量场的强度下降到1eE0 时，场点到界面的距离。公式表达如下：式中：是光在真空中传播时的波长；n1 为光纤纤芯的折射率；n2 为被测物溶液的折射率； 为光线的入射角。B. Cul shaw、G. Stewart等人制作的传感器预留了很薄的一部分包层，厚度dz要求小于消逝场的穿透深度，消逝场能量可以穿过这部分残留的光纤包层与被测物质接触引起能量的吸收，进而实现传感器的探测。因许多物质的测量都是在其水溶液中进行的，其折射率一般较光纤纤芯折射率小很多，特别是当该物质的浓度很低的时候更是明显，造成被测溶液与纤芯的折射率差很大。通过预留一层光纤包层可以达到折射率的匹配，形成弱导条件，降低光纤中的波导模式的数量，激发出更多的消逝场能量，并提高消逝场能量的穿透深度。但当能量在穿透包层待测物质渗透时，会发生波导间能量的耦合，有一部分能量会被限制在光纤包层中。分析证明传感器的灵敏度与dz 的大小密切相关，dz 越小灵敏度越高。（a）改进前的D型光纤传感器结构 （b）改进前的D型光纤传感器结构图2 D型光纤传感器结构对比以往制作D 形光纤，多先加工出D 形结构的光纤预制棒，然后通过光纤拉丝机拉制成纤细的D 形光纤，也有部分学者使用氢氟酸腐蚀光纤制作D 形光纤。这里采用了一种基于机械研磨的新型加工办法，将光纤洗净，晾干，固定到研磨夹具上，粘牢后进行研磨。用此法制得的D 形光纤表面质量可控，方便易行。4 新一代微纳光纤珐珀传感器近日，电子科技大学通信学院光纤技术研究中心饶云江教授团队首次在国际上应用157 nm和飞秒激光微加工技术制作出新一代微纳光纤珐珀传感器。该项工作作为国家自然科学基金重点项目“新一代微纳光纤传感器基础研究”的一部分，在今年的中期评估中获得了相关专家的高度评价。该技术有助于研制出目前世界上体积最小、光学性能最好、工作温度最高( 800 ) 的微光纤在线珐珀应变传感器，可望在航空航天、能源工业等环境十分恶劣的极端条件下使用，从而解决长期以来存在的高温下应变精确测量的世界性难题。与传统手工制作方法相比，利用激光微加工技术制作光纤珐珀腔具有方法简单、一次成型、能够实现光纤珐珀腔的高质量批量制造等突出优点，具有很好的应用前景。新一代传感器的设计对于传感领域的科技创新及技术进步具有十分重要的意义，研制结构新颖、功能优异的传感器一直是科研人员和企业人士的追求目标。微结构光纤及其光栅的出现为新一代光纤传感器的设计与研制提供了广阔的创造空间。光纤的结构决定了光纤的传输性能，合理的折射率分布可以减少光的衰减和色散的产生，并增加光能量的传输。随着光纤通信系统的迅速发展，出现了DFF（色散平坦光纤）。为了DWDM系统能够在尽可能宽的可用波段上进行波分复用，各个公司都致力于消除OH-吸收峰，已开发出的“无水峰光纤”，可实现1350nm1450nm第五窗口的实际应用。为了适应相干通信系统的要求，已经研制出了“熊猫”型、“蝴蝶结”型和“扁平”型的高双折射保偏光纤，另外具有“边坑”型的单模单偏振保偏光纤，以及正在研究中的蜂窝型波导光纤、液晶光纤等等，这些都将为光纤传感器的发展提供更加广泛的选择。5 光纤传感器的应用光纤传感器的应用范围很广,几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活 ,尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用 ,解决了许多行业多年来一直存在的技术难题 ,具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面:( 1) 我国使用高温传感器每年要消耗几十亿元 ,传统使用铅佬丝热电偶来测量高温 ,寿命短 ,成本高 ,而且在工业生产中需要停产来更换热电偶 ,严重影响了生产。20 世纪 80 年代美国提出使用蓝宝石光纤来制备高温传感器 ,但价格昂贵 ,只能应用于特殊场合。因此 ,研究和开发测量精度高、性能稳定、成本低的光纤高温传感器具有极大的市场需求。(2 ) 在电力系统 ,需要测定温度、电流等参数 ,如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等 ,由于电类传感器易受强电磁场的干扰 ,无法在这些场合中使用 ,只能用光纤传感器。目前防雷抗干扰已经成为我国大坝安全监测自动化中最为棘手的问题。光纤传感器的使用为彻底解决防雷抗干扰的问题创造了条件。尽管光纤传感器在国内水利工程上的应用尚处于起步阶段 ,但由于具有其他传感器无法比拟的优越性 ,将使其具有十分广泛的应用潜力。加拿大一公司开发的能用于水利工程的传感器已十余种且逐步系列化 ,分辨率 011 的温度传感器、精度达 0102mm 的位移计、011 %F. S. 的压力传感器等已成功应用于水利工程。国内此方面的研究和研制也已起步。(3 )在石油化工系统、矿井、大型电厂等 ,需要检测氧气、碳氢化合物、CO等气体 ,采用电类传感器不但达不到要求的精度 ,更严重是会引起安全事故。因此 ,研究和开发高性能的光纤气敏传感器 ,可以安全有效地实现上述检测。( 4) 在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面 ,由于其环境复杂 ,影响因素多 ,使用其它传感器达不到所需要的精度 ,并且易受外界因素的干扰 ,采用光纤传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精度 ,可实现对上述各领域的生物量的快速、方便、准确地检测。目前 ,我国水源的污染情况严重 ,临床检验、食品安全检测手段比较落后 ,光纤传感器在这些领域具有极好的市场前景。6 光纤传感器的现状及展望传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。近十几年来，传感器的产量及市场需求年增长率均在10%以上。目前世界上从事传感器研制生产单位已增到5000余家。美国、欧洲、俄罗斯各自从事传感器研究和生产厂家1000余家，日本有800余家。 但是，我国目前的光纤传感器的产业化和大规模