光纤传感器设计论文

毕 业 设 计

课题名称：光纤传感器设计

姓 名：王新鹏 学 号：0502210201

所在系：电子电气工程系

专业年级：D05电气二班

指导教师：刘伟 职 称：教授

2007 年 6 月 13 日

原 创 性 声 明

本人郑重声明：所呈交的毕业论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。

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目 录

摘 要 ....................................................................................................................... 4

1引 言 .................................................................................................................... 4

2光纤传感器的原理与特点 .................................................................................. 4

3光纤传感器的研究现状 ...................................................................................... 7

4新型光纤材料与器件 .......................................................................................... 8

4. 1传感光纤 ....................................................................................................... 8

4. 2光源 ............................................................................................................... 9

5结束语 ................................................................................................................ 10

6参考文献 ............................................................................................................ 11

7致 谢 ................................................................................................................ 12

光纤传感器研究与发展

摘 要:光纤传感器较传统传感器有诸多优点，它越来越引起人们的广

泛关注，并得到了深入的研究和广泛的实用化。文中论述了光纤传感器的原

理与特点。介绍了光纤传感器的应用状况、国内外发展现状、 新型光纤材料与器件。最后对光纤传感器的前景予以了展望。

关键词:光纤传感技术 光纤传感器 光纤布拉格光栅 光源。

1引 言

随着密集波分复用DWDM技术、掺饵光纤放大器EDFA技术和光时分复用 OTDM技术的发展与成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统的方向发展，并且逐步向全光网络演进。在光通信迅猛发展的带动下，光纤传感器作为传感器家族中年轻的一员，在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面有着独一无二的优势。有资料表明，美国1996年一2002年光纤传感器年均增长率为 27%一30%,而我国对光纤传感器的市场需求也很大[1].

2光纤传感器的原理与特点

光纤最早在光学行业中用于传光和传象，在70年代初生产出低损耗光纤后，光纤在通信技术中用于长距离传递信息。由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且光波在光纤中传播时表征光波的特征参量 (振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素 (如温度、压力、磁场、电场、位移等)的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感器元件来探测各种待测量 (物理量、化学量和生物量)，这就是光纤传感器的基本原理。

与传统的传感器相比，光纤传感器具有独特的优点:

(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、耐腐蚀的传输媒质，并且安全可靠，这使它可以方便有效地用于各种大型机电，石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中。

(2)灵敏度高。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，有的己经实验验证，如测量水声、加速度、辐射、磁场等物理量的光纤传感器，测量各种气体浓度的光纤化学传感器和测量各种生物量的光纤生物传感器等。

(3)重量轻、体积小、可绕曲。光纤除具有重量轻、体积小的特点外还

有可绕的优点，因此可以利用光纤制成不同外型、不同尺寸的各种传感器。这有利于航空航天以及狭窄空间的应[2]。

图1和表1比较了光纤传感器和传统的电类传感器的传感原理[3]和特性。

（1）电类传感器

（2）光纤传感器

图1两类传感器的传感原理比较表1

下面以光纤布拉格光栅传感器为例说明光纤传感器的传感原理。

光纤布拉格光栅FBG于1978年问世[4]，这种简单的固有传感元件，可利用硅光纤的紫外光敏性写入光纤芯内，图2描述了光纤光栅\的基本原理。

图2基本的光纤光栅传感原理

常见的FBG传感器通过测量布拉格波长的漂移实现对被测量的检测，光

栅布拉格波长（）条件

可以由式 (1)表示:

式中，Λ―光栅周期:

ｎ―折射率。

当宽谱光源入射到光纤中，

光栅将发射其中以布拉格波长为中心波长的窄谱分量。在透射谱中，这一部分分量将消失，随应力与温度的漂移为

[5]

其中，ε―外加应力;

Pi.j;―光纤的光弹张量系数;

v―泊松比;

α―光纤材料 (如石英)的热膨胀系数

ΔT―温度变化量。

上式中

: 因子典型值为0.22。因此，可以推导出在常温和常应力条件下的FBG应力和温度响应条件如式下

:

lpm的波长分辨率大致对应于1.3µm处0.1℃或1µε的温度和应力测量精度。

3光纤传感器的研究现状

当前，世界上传感领域的发展可分为两大方向:原理性研究与应用开发。随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那样迅速获得产业化，许多关键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化有一定的距离，

因此光纤传感技术的原理性研究仍处于相当重要的位置。当前的原理性研究热点集中于光纤光栅(FBG和LPG)型传感器和分布式光纤传感系统两大板块。

FBG型光纤传感器自发明之日起，已走过了原理性研究和实验论证的百家争鸣阶段。目前成熟的FBG制作工艺可形成小批量生产能力，而研究的焦点也转向解决高精度应用，完善解调和复用技术，

以及降低成本等几个方向上。另一方面，由于光纤传感器具有将传输与传感媒质合而为一的特性，使得沿布设路径上的光纤可全部成为敏感元件，因此，分布式传感成为光纤传感器与生俱来的优点。

分布式光纤传感器系统通常有三种类型:拉曼型、布里渊型和FBG型。它作为光纤传感器很重要的一个分支，被广泛的应用于许多大型的温度场、应力场的测量当中，以实现实时的、空间连续的测量。

光纤传感器的应用开发根据当前的应用热点领域和技术类型可大致分为四个大的方向:光(纤)层析成像分析技术 OCT、光纤智能材料 (SMARTMATERIAL)、光纤陀螺与惯用系统以及常规工程传感器[6]。

4新型光纤材料与器件

光纤传感器的开发研究和设计应用是一个光纤传感系统问题，光纤传感器件包括传感光纤、光源等。

4. 1传感光纤

在远程传输领域，光纤己发展到了一个相当完善的阶段，但对用于传感技术的光纤所投入的力量则小得多。因此早期用于传感器的光纤，大多数是从通信用光纤中选择直接使用或作某些特殊处理 (如包层处理后)再使用。这对于某些传感器，如外部传感器或某些简单的内部传感器，已能满足一定的要求。但随着光纤传感技术的发展，在许多情况下，仅仅使用通信光纤是极勉强的。例如，光纤电流传感器中，如果直接使用通信光纤，将有两个致命问题，一是通信用石英光纤的费尔德(Verolet)常数很小;二是为了使光纤环绕被测电流需把光纤绕成线圈，这将使光纤产生弯曲，从而产生很强的线性双折射，其结果是将光纤本来很低的费尔德常数又大大降低 (约为原来的1/50)以至无法实际应用。因此，开发各种适合于传感技术要求的光纤是非常必要的。传感器用光纤一直是光纤技术领域中的一个重要研究课题。归纳起来主要通过以下几个途径开发特殊类型的光纤: 1)对石英光纤进行某些特殊处理，可以改变光纤的偏振特性或其它预期的传感特性。2)对石英光纤在结构设计上进行改造，以改变其偏振特性。 3)改变光纤的掺杂材料，或在光纤结构中插入金属材料，以使光纤产生新的特性或获得预期的偏振特性。4)利用其它材料制成特种光纤，以获得某种特性。5)紫外写入光纤光栅

[7]为了适应相千通信系统的要求，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，已经正在研究中的蜂窝型波导光纤[8]、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。

4. 2光源

不少光纤传感器以其特有的优点，替代或更新了传统的测试系统，如光纤陀螺、光纤水听器、光纤电流电压传感器等；出现一些应用光纤传感技术的新型测试系统，如分布式光纤测温系统，以光纤光栅为主的光纤智能结构；改造了传统的测试系统，如以光纤构成的新型光谱仪；利用电/光转换和光/电转换技术以及光纤传输技术，把传统的电子式测量仪表改造成安全可靠的先进光纤式仪表等等。

由于光纤传感器的工作环境特殊，要求光源的体积小，便于和光纤祸合;光源发出的光波长应合适，以减少在光纤中传输的能量损耗，光源要有足够的亮度。在相当多的光纤传感器中还对光源的相干性有一定要求;此外，还要求光源的稳定性好，能在室温下连续长期工作;噪声小和使用方便等。所以，光纤传感器所选用的光源类型在很大程度上决定了此传感器的工作模式、信号处理方法、分辨率、灵敏度及测量精度，因而选择一种合适的光源对于整个光纤传感器的设计起着至关重要的作用。

光纤传感器所用光源又分为相干光源和非相干光源。相干光源主要有:固体激光器、液体激光器、气体激光器、半导体激光二极管和光纤激光器。非相干光源有:热光源、气体放电光源和发光二极管。

目前又出现了几种新型光源，如:面发射激光器和光子晶体激光器。面发射激光器是一种光从垂直于半导体衬底表面的方向射出的半导体激光器(如图3)。因为在衬底上面并列排列多个激光器，所以作为以在并行光信息处理及光互联等新的光电子领域中应用为目的的新型半导体激光器而引人注目。这种半导体激光器件可利用半导体工艺技术制成集成电路，即进行单片集成化，具有能够二维并列集成化的特征。面发射激光器具有众多优点，如体积小、门限电流低且对温度不敏感、寿命长、电光效应高、响应速度快、与光纤结合容易、可大规模生产、可做成密集排列的二维激光阵列、可应用到层叠光集成电路上等。密集排列二维激光阵列可以使利用光纤传感进行小面积内同时多点测量得以实现，层叠式集成可以使一个庞大的传感器系统微小化变为可能。

光纤传感器的应用开发根据当前的应用热点领域和技术类型可大致分为四个大的方向：光（纤）层析成像分析技术OCT、光纤智能材料（SMART MATERIAL）、光纤陀螺与惯导系统、以及常规工业工程传感器。2002年是光纤陀螺（I-FOG）诞生的25周年，在第15届OFS年会上，特别为光纤陀螺开辟了专题会场。

图3多垂直谐振腔面发射徽光器陈列示意图

1999年，美国加州理工大学A. Scherer领导的研究组首次报道了可工作在室温下且运转在1550nm的光子晶体激光器。目前，贝尔实验室、英国斯温顿Bath大学、丹麦Crystal Fiber A/S公司等都在大力地研究这种新型的激光器。A. J. Danner等人提出的双缺陷光子晶体垂直腔面发射激光器更是集以上两种激光器的优势于一体。在我国，去年四月份深圳市激光工程重点实验室也己经开发出了功率达15W的光子晶体激光器。据预计，在五年之内，高效光子晶体激光器将逐步实用化，继而逐渐发展为激光器的主流[9]。

5结束语

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推广应用方面远远不能满足国民经济发展的需求。而与此同时，世界光纤产能过剩己成定局，并将持续一段时间。可以预见，世界光纤业的竞争将加剧。在情况好转之前，最坏的结果如何已成为光纤业界都在思考的一个问题。因此，近期的光纤传感技术研究和产业化特点是以成熟的光纤通信技术向光纤传感技术转化为重点，包括:

(1)在光纤通信中可调谐滤波器的基础上，研制出可调制通用的传感元件 (如:光纤光栅、光纤干涉仪等)为基础的光纤传感技术，研制响应各种参量的传感器。

(2)光复用技术在光纤传感领域的应用研究。

(3)全光纤、分布式、多功能传感系统的研究与开发。

(4)开展各应用领域的专业化成套传感技术的研发，如:1)医学和生物;2)电力工业;3)化学和环境;4)军事;5)智能结构。

6参考文献

[1]http://www jicheng.net.cn/auto news/hangyedongtai/100445

8.htm1

[2]http://wwwjicheng.net.cn/autoee news/hangyedongtai/100445

7.html

[3]王化祥，张淑英.传感器原理及应用【MI.天津:天津大学出版社，1991.

[4]K.O.Hill, YFujii. Photosenditivity in optical fiber waveguides:Applicationtoreflectionfilterfabrication[J],Appl.Phys.Lett,vol32, p.647,1978

[5]A.D.Kersey, M.A.Davis. Fiber grating sensors [J], J.Lightwave Technol., vol.I5,n.8,pl442-1463,1997

[6]廖延彪，黎敏.光纤传感器的今日与发展[[J].传感器世界，2004,10(2):6-12.

[7]http://www.knowsky.com/8728.html

[8]http://www.micronoptics.com/si425,[EB/OL]

[9]方宏，秦曦光纤传感器中光源的选用即比较闭.传感器世界，2004, 10(11):13-17

7致 谢

本论文顺利的完成，刘伟老师给予了很多的指导，从论文的开题到成文过程中，刘伟老师一直从各方面给予支持。并对初稿提出了很多宝贵的建议，对本文的完善起到了关键作用。在此，首先感谢我的导师——刘伟老师，没有导师的悉心指导，我的论文不可能完成顺利完成。其次要感谢感谢学院领导、老师为我们所做的工作，感谢所有任课教师。另外，感谢我的同学，他们在我的论文开题过程中提供了无私的帮助。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

学生：王新鹏

2007-6-13