塑料光纤传感器

1、塑料光纤传感器塑料光纤(polymer optical fiber, 简写为POF)是由高折射率的聚合物材料为纤芯和低折射率的聚合物材料为包层所构成的光纤。作为塑料光纤的聚合物纤芯材料主要有PMMA，PS，PC等最成熟和广泛商业化应用（光纤传感、局域网、光纤到户、照明等）和在汽车、军事上应用的，主要是低损耗PMMA塑料光纤。光纤光缆实物图211-11-2007Dasheng POF3塑料光纤与其它传输介质比较传输介质双绞线同轴电缆石英光纤塑料光纤价格高一般贵一般损耗高高最低稍高连接容易较容易难非常容易处理容易容易需要培训容易柔韧性柔韧柔韧易碎柔韧工作媒介电电红外可见光数值孔径低高带宽低低最高高

2、电磁干扰高低没有没有单段最大距离100米185米几十公里几百米31964年美国Dupont(杜邦)公司最早开始研究，随后日本、德国、法国、韩国等纷纷投入大量资金进行研究开发。早期的塑料光纤由于受到制作工艺和条件的限制，损耗较大，应用一直受到限制。1980年以后，低损耗的塑料光纤的基础和应用研究日趋活跃，并逐渐进入商业应用。4一 塑料光纤的工作原理、类型二 塑料光纤的制备、特性三 塑料光纤传感器主要内容一 塑料光纤工作原理、类型和石英光纤一样，塑料光纤传光也是利用光的全反射原理，光纤纤芯是光密介质，包层是光疏介质，这样，只要一个光线射入的角度合适，那么这束光线就会在光纤内部不停地进行全反射而传向

3、另一端。塑料光纤结构图6塑料光纤的芯材和皮材必须满足以下几个条件： （1）两者都是透明的无定形聚合物，具有耐高温度和强 韧性； （2）两者的折射率之差应满足n芯-n皮0.05的条件，以 确保有一定的受光角； （3）两者具有良好的匹配性，界面黏结性良好。 纤芯材料主要是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚苯乙烯（PS）。7（1）低损耗塑料光纤 由于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中含有大量的pH键产生高次谐波和电子跃迁损耗，固有损耗主要取决于分子振动吸收和瑞利散射，其损耗不能显著降低。用氘取代CH中的H是降低损耗的重要途径，氘化的主要作用是降低分子振动吸收，氘代度越高，损耗水平越低。由于氘化单体的聚合速

4、率较缓慢，聚合物的内应力小，所以氘化也能降低瑞利散射。塑料光纤的类型8（ 2）耐热塑料光纤 普通的塑料光纤耐热性不高，如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚苯乙烯（PS）芯材的长期使用温度要求在80以下，而无机光纤至少可在100以上的温度下使用。因此，提高塑料光纤的耐热性就成了塑料光纤的研究热点之一。9通常采用三种方法提高塑料光纤的耐热性： 保护层法，在塑料光纤外套塑或涂覆一层保护层，阻碍 氧气在芯皮材中传输，防止芯皮材在高温下氧化，并在 一定程度上阻碍塑料光纤的变形； 清洗法，芯皮材采用溶剂清洗，清除残余单体和低分子 量副产物等； 选用玻璃化温度高的芯皮材。 前两种方法都是辅助方法，只有第三种方

5、法才是最有效的方法。10（3） 耐湿塑料光纤 塑料光纤与无机光纤相比容易吸潮，而水能增强芯材聚合物CH的振动吸收，使光纤的损耗增大。将脂肪环、苯环和长链烷基引入芯材聚合物中，能提高塑料光纤的耐湿性。另外，改善包层或增加包层数也可以改善塑料光纤的耐湿性。11（4）荧光塑料光纤 荧光塑料光纤是在芯材中掺入一定量的荧光剂，其入射端面输入特定波长的光，这种光为荧光剂所吸收，然后发出另一特定波长的光，由塑料光纤出射端面输出。荧光塑料光纤可制成特殊的光纤传感器，也可制作成功率放大器。12（5） 非线性塑料光纤 采用偶极性有机材料同芯材混合，用垂直机头牵引挤出成型，并在靠近模头处设置高强直流电场，这样处于黏

6、流态聚合物中的偶极性有机物获得电场取向，随着黏流态聚合物的冷却成型，非线性有机材料偶极取向固定，从而获得非线性塑料光纤。这种非线性塑料光纤可制作成电光及非线性光学器件，是一种新型的塑料光纤。13 (1) 棒管法 将光纤的芯材和鞘材分别制成严格匹配的棒和管，在加热和抽真空情况下将两者紧紧复合在一起拉制成丝。最常用的是界面凝胶共聚合法。二 塑料光纤的制备、特性1 塑料光纤的制备1415 (2) 共挤法 所谓共挤法工艺是在拉制塑料光纤过程中使用两台挤出机：一台挤出芯材、另一台挤出鞘材，两台挤出机通过同一模头熔融挤出成型，再经牵引收卷即拉制成塑料光纤。16塑料光纤挤出机17(3) 涂覆法 涂覆法是将挤

7、出的纤芯通过鞘料的溶液，将溶剂去除后，鞘层包覆于芯层而成光纤的方法。涂覆法工艺流程图18(4) 连续聚合纺丝法 连续聚合纺丝法是目前最先进的光纤拉丝工艺，其先进性在于从单体聚合到纺丝成型全部在密封系统内进行，大大减少了外界环境污染，从而使光纤的透光率得以大幅提高，其工艺流程如图所示。连续聚合纺丝法工艺流程图19(1) 光学特性2 塑料光纤的特性 塑料光纤是一种纤维状长链分子，是用单体聚合而成，其密度均匀性较难达到，因而有较大的光学损耗。一般而言，塑料光纤的光吸收系数在0.0080.0018/cm之间，光损耗值在2002000dB/km之间。20(2) 机械性能 塑料光纤的柔韧性很好，1mm粗的

8、塑料光纤，按曲率半径为6mm作180弯曲100多次，对塑料光纤并无损害，透过率亦无变化。有实验表明，塑料光纤曲率半径大于塑料光纤直径的3倍时，透过率仍无大的变化。21(3) 温度性能 使用温度一般小于100。当温度低于-40时，塑料光纤将变硬、变脆。由于塑料光纤熔点低，因而玻璃光纤易老化(4) 化学性能 塑料光纤的化学稳定性较差，在化学药品（丙酮、醋酸乙酯或苯）的侵蚀下，易着色、变质或老化，光学性能会受到很大影响。22(1) 优点 塑料光纤与石英光纤相比，塑料光纤在高速短距离通信网络中具有显著的竞争优势，特别在1001000 m范围内带宽可达数吉赫兹，而成本则与对应电缆相当。同时塑料光纤具有加

9、工容易、弯曲性能好、可以制成大芯径(051 mm)、大数值孔(NA)(0305)的光纤，且可采用注塑连接器，其连接、分路简单，操作简便，价格相对便宜，形成了国际上一个新的研究开发热点。据国际市场分析，塑料光纤将以每年20以上的速度增长，至201 0年，全世界塑料光纤的销售额估计将高达数十亿美元。 3 塑料光纤的优缺点23(2) 缺点 塑料光纤的缺点主要是衰减大、频带窄、耐热性差，为此各国研究人员仍在通过不懈的努力，不断改善塑料光纤这些方面的不足，特别是把降低衰减、提高带宽、提高耐热性及机械性能等作为研究的重点。2425据报道，若用一种非晶聚四氟乙烯做纤芯和包层，则可使塑料光纤用于285的环境。

10、由于塑料材料的杨氏模量比石英光纤小两个数量级，因此其弯曲、拉伸性能要远远优于石英光纤。另外，尽管塑料光纤的传输性能与机械性能有密切的关系，但如果塑料光纤在纵方向被拉长10，它的衰减增大程度小于0.1 dBkm。因此，塑料光纤有较好的延展性能，弯曲半径也比较小，非常适合用于楼宇LAN(Local Area Network，通常为较小区域的网络)内光纤到户的安装。26三 塑料光纤传感器 光纤传感器是依靠光在光纤中传输时受到被测对象的影响使光的强度、波长、相位、偏振或频率等参数发生改变，通过检测接收光的各个参数来对被测量进行检测或控制的一种传感器。27具有光纤及光学测量的特点： 电绝缘性能好； 抗电

11、磁干扰能力强； 非侵入性； 高灵敏度； 容易实现对被测信号的远距离监控。28塑料光纤适应狭小空间检测，它具有高柔韧性，易弯曲，可以用在需要缠绕或往复运动的场所。塑料光纤的价格比较便宜，可进行现场截段；与石英光纤相比，塑料光纤对温度的剧烈变化、化学药品及溶液的影响比较敏感。1 塑料光纤传感器概述29 塑料光纤传感器作为一种新兴的光纤传感器，除了具有光纤传感器的普遍优点外，由于塑料光纤自身的特性，相比较石英光纤传感器，还具有以下优点：聚合物光纤芯径大，一般可达0.51.0 mm；数 值孔径大，NA为0.30.5；与光源和接收器件 的耦合效率高；端面处理简易、连接简便，可以使 用廉价的注塑连接器，系

12、统成本低。聚合物材料的多样性，容易修饰和掺杂有机材料。 （选材广泛）30与许多聚合物材料包括生物生物材料兼容，用于活体传 感安全性好。材料的温度和力学敏感性高，抗断裂强度高和柔韧性 好，可应用于弯曲场合或粗糙环境。 塑料光纤传感器包括温度传感器，压力、位移传感器，气体、液体浓度传感器，生物传感器等，其中的许多传感器在环境污染监测中有着良好的应用前景。31 目前国外一些大的传感器生产企业如基恩斯、邦纳、OMRON、SUNX等公司和中国台湾RIKO、WDOE公司都推出了塑料光纤传感器，使用各种塑料光纤来达到他们的目的。例如邦纳公司使用的塑料光纤是经过Teflon封装的塑料光纤，可用于高温、腐蚀性等

13、恶劣的工业环境，如半导体晶片加工、食品加工和商业洗涤等。高温型可在环境温度为-30125范围内使用。32 2 塑料光纤传感器及其应用（1）辐射探测 最近日本帝人化成有限公司宣布成功发明了一种塑料光纤，当这种塑料光纤暴露在放射环境下会发出蓝光，未来将带来成本更低的辐射探测器。也可用于医用装置。33（2）生物医学和化学传感 塑料光纤用于生物医学和化学传感有两大优越性。一是它与被测媒质有良好的相容性，二是光纤材料有广泛选择性，即容易找到适合的折射率和具有特定功能的塑料光纤材料。 用于生物医学和化学传感的主要效应有：消逝场效应，吸收效应和色度效应。 利用消逝场效应构成用于测定水处理液污染程度的光纤 传

14、感器。 利用吸收效应构成探测表面活性剂溶液中的临界生物胶 团浓度的传感器。 利用色度效应构成检查食道癌的传感器。34（3）工程结构安全与材料断裂监测 工程结构安全监测 塑料光纤传感器可用于工程结构安全监测、复合材料的结构特性（如强度和硬度）变化监测等，经济实用，多为强度调制型，也可以通过监测结构的共振频率、模式、阻抗等来获得结构的退化或损坏信息。 材料断裂分析与测试 塑料光纤用于土木结构损坏和断裂监测时，其拉伸和抗碱方面优于石英光纤，有较好的动态范围和化学稳定性。 冲击损伤检测 塑料光纤传感器可用于检测碳纤维增强复合材料结构中的冲击损伤。测量在不同冲击能量下，碳纤维增强环氧树脂悬臂梁的动态响应

15、。35（4）环境监测 在工农业、生物和医学应用中，环境因素诸如湿度、露点、PH值、特种气体（氧气、二氧化碳、一氧化碳、煤气、甲烷等）的精确监测、控制非常重要，塑料光纤传感器在这些方面很有用途。 湿度传感器 塑料光纤湿度传感器工作原理：利用材料吸收水分后光学性能的变化来测量湿度，包括光谱的变化、折射率的变化等。 利用光谱的变化。 利用折射率的变化。36 露点传感器 露点传感器在气象监测、农作物湿度检验、食物水分子以及水分子的评估等领域均有应用。 氧传感器 塑料光纤传感器可用于连续监测氧气和溶解氧。其原理是基于材料的激发态磷光寿命和氧含量的关系，再利用光纤中的渐逝场效应，即可由光纤输出光强的变化监

16、测氧的含量。37塑料光纤的应用展望塑料光纤作为短距离通信网络的理想传输介质，在未来的家庭智能化、办公自动化、工控网络化、车载机载通信网、军事通信网的数据传输中具有重要的地位。38通过塑料光纤，我们可实现智能家电（家用PC、HDTV、电话、数字成象设备、家庭安全设备、空调、冰箱、音响系统、厨用电器等）的联网，达到家庭自动化和远程控制管理，提高生活质量；通过塑料光纤，我们可实现办公设备的联网，如计算机联网可以实现计算机并行处理，办 公设备间数据的高速传输可大大提高工作效率，实现远程办公等。3940在低速局域网的数据速率小于100Mbps时，100米范围内的传输用SI型塑料光纤即可实现；150Mbp

17、s，50米范围内的传输可用小数值孔径塑料光纤实现。 41POF实现局域网42塑料光纤的家庭应用43塑料光纤在制造工业中可得到广泛的应用。通过转换器，塑料光纤可以与RS232、RS422、100Mbps以太网、令牌网等标准协议接口相连，从而在恶劣的工业制造环境中提供稳定、可靠的通信线路。能够高速地传输工业控制信号和指令，避免因使用金属电缆线路而受电磁干扰导致通信传输中断的危险。 44 在汽车应用领域，塑料光纤可用来制造一个特别的传感器，安装在车上，如不幸发生交通意外，可透过光纤的屈曲程度，测出车子的哪个部分撞到行人和撞击力的大小，然后启动引动器，以减轻对被撞行人的撞击力，从而降低在交通意外中人的

18、死亡率和受伤的程度。4511-11-2007Dasheng POF46塑料光纤在汽车中的应用光纤多路数据通讯系统。塑料光纤可用于车载通信、视听系统。车载机通信网络和控制系统组成一个网络，将微型计算机、卫星导航设备、移动电话、传真等外设纳入机车整体设计中。旅客还可通过塑料光纤网络在座位上享受音乐、电影、视频游戏、购物、Internet等服务。光纤传感器光纤照明系统4611-11-2007Dasheng POF47塑料光纤在汽车上应用的动力和理由汽车自动化电子化程度越来越高，设备间连接电子线路的电缆越来越多、越来越粗且复杂，布线更为困难和费用更高。为降低汽车重量和体积和提高设计自由度，汽车制造商对

19、光纤多路数据链路极感兴趣。随着汽车导航系统的飞速发展，信息量的增加，为了提高安全性能，汽车制造商正在加快采用气囊与传感器的步伐，以便在车内处理更多的信息。作为传播信息的通道，汽车制造商已正式开始采用塑料光纤来构筑车内局域网（LAN）。 现时全球已有超过100几十万台汽车安装了塑料光纤，这个趋势将持续上升 4711-11-2007Dasheng POF48塑料光纤的重要特点质量轻芯径大、易连接柔韧性好、使用寿命长高传输速率（数百M数Gbit/s）支持宽带应用抗电磁干扰、抗振动、可靠度高操作、连接容易、维修方便、系统成本低；4811-11-2007Dasheng POF49光纤多路数据通讯系统（M

20、OST和IDB1394）4911-11-2007Dasheng POF50MOST（媒体定向系统传输）基于PMMA光纤以及红色LED（650纳米）,用于连接汽车内娱乐系统的光学数据总线标准。比如，它能够实现CD以及DVD播放机，调谐器，LCD显示设备以及GPS导航系统之间的光学互连。现在总线的工作速率是25M，不过正计划上升到50M以及150M。该标准是以德国汽车制造商戴姆肋奔驰公司、BMW以及AUDI公司于1998年率先倡导的。德国宝马公司(BMW)在2002年3月上市的BMW7系列中铺设50米塑料光纤。宝马公司则新增加了两种车内LAN。一种是信息系统LAN的“MOST”，另一种是控制系统L

21、AN 的“byteflight”。此次宝马车上采用MOST和byteflight，将开创MOST与bytefligh走向实用化的先河。MOST采用的塑料光纤长度为7米，bytefligh采用为43米。在欧洲目前至少有有16个车型采用了MOST通信系统， 5011-11-2007Dasheng POF51宝马公司采用塑料光纤的理由至于采用塑料光纤的理由，宝马公司解释说：“使用目前的电缆时，数据传输速度一旦超过500kbps，就会产生电磁噪音问题。而今后车内数据传输速度的发展趋势将是越来越高，这一问题将更加严重。考虑到这一情况，从着眼于未来的角度出发，采取了导入塑料光纤的措施。”。该公司的想法是：

22、反正早晚都要正式使用塑料光纤，倒不如干脆从现在就开始使用。即使从成本方面来看，使用塑料光纤也比使用电缆合算。比如说，由于连接器无须考虑电磁噪音的消除问题，因此价格相当便宜，只有1.2美元。宝马公司计划在“BMW5系列”、“BMW3系列”等普通车型上也引进塑料光纤。2001年宝马车在全球的销售数量为90万辆左右，如果在全部车辆上都引进像7系列那样的车内LAN，将需要共计4.5万千米的塑料光纤。 5111-11-2007Dasheng POF52 Byteflight，用于服务“关键性功能”，德国BMW公司为了汽车安全性应用如“安全气囊控制”而开发的数据总线协议。类似于MOST，它依赖于650纳米

23、的LED以及工作在一个较低速率（10M）的PMMA光纤。它没有采用分离的发送接受器件，而是采用TRANSCEIVER，通过一个星形网络提供双向的通信。该星形网络用来连接传感器和安全气囊驱动装置。如安全气囊的控制。在基于POF的网络中，会有一个塑料光纤传感器专用于触发安全气囊的开启。 到目前为止，大概由700万个BYTEFLIGHT收发模块广泛采用在BMW的汽车中，包括7系。Byteflight(单根光纤总线系统) 5211-11-2007Dasheng POF53是IDB（INTELLIGENT TRANSPORTANTION SYSTEM DATA BUS）论坛和I394贸易组织之间达成的初

24、步意向，用来为汽车创建一个基于IEEE1394B数据格式（FIREWIRE）的协议。这一格式使得计算机和外围比如数据CAMCORDERS，MP3播放器之间的数据传输速率更高，达到400MBIT/S。这一概念是向用户提供一个非常方便的接驳口（CCP，customerconvernienceport），允许用户把家用电器直接和汽车接驳即汽车和家庭娱乐之间的相互交流。汽车中的一个IDB-1394网络将允许高清晰电视HDTV，未压缩的视讯或者SUPERAUDIO CD的传输。这样一个网络可能会于20062007年问世。目前这一技术还没有应用在汽车里面，不过在手提电脑，摄像照相机以及象APPLE产的iP

25、OD等小玩意上已经非常流行了。这是一个未来发展的趋势，即汽车和家庭娱乐之间具有相互交流的功能。 美国通用汽车公司等美国制造商计划使用塑料光纤在车中安装以IEEE1394为基础的“IDB-1394”IDB-13945311-11-2007Dasheng POF54正在开发的一个基于POF的通信系统，主要目的是提供一个“DRIVER-BY-LIGHT”功能，比如自动刹车。概念为：替换目前的机械驱动装置，使得汽车的转向，刹车以及齿轮切换采用全电子系统，该电子系统采用POF作为连接。该组织成立于2000年，由七个主要的核心成员组成（DAIMLERCHRYSLER，BMW，BOSCH，MOTOROLA，Philips，GM以及VW），并且有50个成员。FLEXRAY5411-11-2007Dasheng POF55光纤汽车照明系统利用POF，一个光源能照亮多处地方（仪表板照明，开关照明，控制板照明，变速杆标志、杂物箱照明，烟灰盘照明，左右钥匙照明等），简化照明系统结构，降低照明系统重量POF用来向驾驶员指示外部照明灯（尾灯）工作状况，可靠性提高POF用于进门照明系统（DCX车外钥