光纤传感器的现状和展望毕业设计

光 纤 传 感 器 的 现 状 和 展 望姓名： 学号:0522327 班级：机制（3）班 2010/10/28光纤传感器的现状和展望摘要：介绍光纤传感器的主要性能特点及所涉及的领域；近年来光纤传感器技术的发展、应用的现状及其前景展望。关键词：光纤传感器(FOS)、光纤传感器技术、现状和发展Abstract：This paper describes the main properties&characteristics of fiber-optic sensor and covered areas；the developmentof fiber-optic sensor technology in recent years，the present application status and prospectsKey words：fiberoptic sensors(FOS)、fiber optic sensor technology、the status quo and development引言传感器技术、通信技术、计算机技术是现代信息技术的三大支柱，传感器作为探测与获取外界信息的重要环节之一而被应用于工业、农业及军事的各个领域。近20多年来，光纤传感器的发展则大有取代传统传感器的趋势。光纤传感器是光通信和集成光学技术发展的结晶，它具有如此强大的生命力，主要因为它与其他传感器相比具有独特的优点，因而它的应用领域由最初的国防军事、航天航空迅速向冶造工业、能源工业、化学、生产过程控制、环保监测等民用部门迅速扩展。根据美国市场信息研究公司预测：现代光纤传感器的市场会像2O世纪70年代后期的半导体工业那样急剧增长。随着光纤传感器成本的不断降低、性能不断提高，它将在未来的信息化社会中占有重要地位。光纤传感器一般可分为2类：一类是功能型传感器(Function Fiber Optic Sensor)，又称FF型光纤传感器；另一类是非功能传感器(NonFunction Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传感器。前者是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器；后者是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器。1 光纤传感器及其特点光纤最早在光学行业中用于传光和传像，在20世纪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。光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且当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元件来探测各种待测量(物理量、化学量和生物量等)，这就是光纤传感器的基本原理。光纤传感器可以分为传感型和传光型2类。利用外界因素改变光纤中光波的特征参量，从而对外界因素进行计量和数据传输的传感器，称为传感型光纤传感器，它具有传感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤中进行。传光型光纤传感器是指利用其他敏感元件测得的特征量，由光纤进行数据传输，它的特点是充分利用现有的传感器，因而便于推广应用。这两类光纤传感器都可再分成光强调制、相位调制、偏振态调制和波长调制等几种形式。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，有的已经实验验证，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)质量轻、体积小、可挠曲。光纤除具有质量轻、体积小的特点外，还有可挠曲的优点，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用。(4)测量对象广泛。目前已有性能不同的测量各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。(5)对被测介质影响小，有利于在生物、医药卫生等具有复杂环境的领域中应用。(6)便于复用，便于成网，有利于与现有光通信设备组成遥测网和光纤传感网络。(7)成本低。有些种类的光纤传感器的成本大大低于现有同类传感器。2 国外光纤传感器的发展现状当前，世界上光纤传感领域的发展可分为2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地获得产业化，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。美国是研究光纤传感器起步最早、水平最高的国家，在军事和民用领域的应用方面，其进展都十分迅速。在军事应用方面，他们研究和开发的产品主要包括水下探测的光纤传感器、用于航空监测的光纤传感器、光纤陀螺、用于核辐射检测的光纤传感器等。这些研究都分别由美国空军、海军、陆军和国家宇航局(NASA)的有关部门负责，并得到许多大公司的资助。美国也是最早将光纤传感器用于民用领域的国家。如运用光纤传感器监测电力系统的电流、电压、温度等重要参数，监测桥梁和重要建筑物的应力变化，检测肉类和食品的细菌和病毒等。美国的很多大学、研究单位和公司都开展了光纤传感器的研究和开发。据统计，1993年以后，美国光纤传感器的销售总额每年以30 40的增长速度发展，到2000年达到100亿美元。近期的调查结果表明，美国光纤传感器的研究开发重点已向民用领域转移，民用光纤传感器的产量已大大超过军用传感器。日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光纤传感器的研究与开发。日本在2O世纪80年代制定了“光控系统应用计划”，计划旨在将光纤传感器用于大型电厂，以解决强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中的信息测量、传输和生产过程的控制。90年代，由东芝、日本电气等l5家公司和研究机构，研究开发出12种具有一流水平的民用光纤传感器，其中最有代表性的是波长扫描型光纤温度传感器。它是光纤传感器网络系统，可把分散在工厂各场所的信息进行时序化处理，并以全光方式收集。由于该网络系统不使用电气器件，安全防爆，特别适合于炼油厂、化工厂的各种过程控制系统。该系统实际上是集光纤材料、光纤传感器件、计算机网络等高新技术于一体，其产品在国际市场上具有广阔发展前景。西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光纤传感器的研究与开发和市场竞争，其中包括英国的标准电讯公司、法国的汤姆逊公司和德国的西门子公司等。3 我国光纤传感器的发展现状 1983年我国也开始了光纤传感器的研究工作，并在“七五”规划中提出了该项传感器研究项目。其起步时问与国际相差不远。目前，我国的光纤传感器研究大多数集中于大专院校和科研单位，仍然未完成由实验室向产品化的过渡。其中，比较成熟的技术包括：清华大学光纤传感中心与总后合作研制开发的光纤油罐液位与温度测量系统，已经安装运行数年；北京航空航天大学与总装合作研制的光纤陀螺系统，目前指标为02。hr；中国计量学院研制的分布式光纤传感系统，已有产品报道；华中理工大学与广东某公司联合研制的强电压、大电流传感系统。同时国家以研究光纤传感器关键技术为重点，加大了有关科技攻关的力度，在光纤传感器产品化方面取得了明显的效果。如国家批准武汉理工大学承担“光纤传感技术国家工业性试验基地”项目，通过对一些关键技术如敏感材料的工程化技术、光纤传感器共有制造技术、光纤传感器工程技术及器件、仪表进行攻关，以提高我国光纤传感器及其生产技术水平。该项目已通过国家级验收，其关键技术达到了国际先进水平。我国在90年代末期，培育若干具有国际竞争力的企业集团及重点产品研制与生产基地，大幅度增加投资力度，仅武汉科技大学承担的“光纤传感器国家高技术产业化示范工作”项目，投资额度就达1亿。另我国在光纤传感器的新产品研究开发方面取得了可喜的成绩，例如在高温传感器和光纤光栅传感器方面获得了重大突破，特别是高温传感器处于较先进的水平。该光纤高温传感器针对传统的铂铑丝热电偶寿命短、价格高、消耗大等弊病和非接触式高温辐射温度计测量误差大等问题，首创采用了“接触一非接触式”测量方法来实现高温测量。该传感器具有精确度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、成本低、使用寿命长等特点，可适用于多种高温炉体，特别是一些高电压、大电流、强磁场、强辐射等恶劣环境，是替代传统的铂铑丝热电偶的最佳选择。该传感器已经在化工和冶金行业得到使用，取得了很好的应用效果。虽然我国在光纤传感器领域上已取得了一些成就，但同美国、西欧及H本等国家相比还有很大的差距，但同时也正是这种差距让我们看到了光纤传感器的美好前景。4 光纤传感器的发展趋势光纤传感器具有很多的优点，是对以电为基础的传统传感器的革命性变革，发展前景是极其光明的。光纤传感器正从最早的军用向民用转变，它正被用于城市建设、土木工程和环境监测、电力系统、航空航天、医学及生物传感器等领域。就光纤传感器而言，据第l5届国际光纤传感器会议统计在FOS市场份额中，“应力” 占23 ， “温度” 占172 ， “气压声学” 占152 ， “电流电压” 占122 ， “化学气体” 占113 。就传感器类型来说， “光纤光栅” 占442 ， “分光计” 占111 ，“散射反射” 占10 ，“Fraday旋光效应” 占69 ，“荧光黑体” 占66 ，“FOG” 占44。无论哪一种光纤传感器，目前来看，其发展的主要方向是：(1)多用途。即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量，要能对多种物理量进行同时测量。(2)高性能。提高分布式传感器的空问分辨率、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)新材料。传感器用非凡光纤材料和器件的研究。例如：增敏和去敏光纤、荧光光纤、电极化光纤的研究等。这些将是以后传感器进一步发展的趋势。(4)新技术。光纤连接器及与其他微技术(微机械、微流态学、喷镀薄膜等)结合的微光学技术。(5)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。(6)新传感机理的研究，开拓新型光纤传感器。总之，光纤传感器的发展趋势是最终实现商业化和产业化。5 结束语就目前FOS的现状做了简要介绍。随着光纤制作工艺的发展，他必然会用到传感器方面。因此，FOS是随着通信技术一起发展的。FOS有着诸多显著的优点，高灵敏度、抗电磁干扰、体积小、质量轻。耐用，能够多路或多点传感。在未来的传感器的世界里，光纤传感器将成为这个庞大家族的主流；二人类也随着传感器的商业化和产业化而受益匪浅。参考文献1 徐开先实用新型传感器及其应用沈阳：辽宁科技术出版社，19952 李新，庞士信，徐开先，等耐高温SOI结构压力敏感芯片的研制微纳电子技术，2007(7)：1721733 张玉书，张维连SOI高温压力传感器的研究传感技术学报，2006 (4)：984-9874 ZHAO Y L，ZHAO L BA novel high temperature pressure sensoron the basis of SO1 layersSensors and Actuators A，2003，108(13)：108111