光纖傳感器全面的知識(shí)你都了解嗎

光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光信號(hào)經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)源，在經(jīng)過光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。

中文名

光纖傳感器

外文名

fibre optic sensor

直 徑

125 μm

壓力范圍

±300 mmHg

決 心

《0.4 mmHg

零熱效應(yīng)

0.4 mmHg / °C

運(yùn)行溫度

10 – 50°C

特 點(diǎn)

安裝簡(jiǎn)單，電路連接更簡(jiǎn)單容易

目錄

1 發(fā)展方向

2 原理

3 性能

4 特點(diǎn)

5 分類

？ 功能型

？ 非功能光纖型

？ 布拉格光柵

？ 傳光型光纖

6 應(yīng)用

7 案例

土木工程領(lǐng)域

石油工業(yè)

溫度測(cè)量

楊氏模量

8 環(huán)境分析

9 行業(yè)分析

10 組成結(jié)構(gòu)

11 發(fā)展前景

發(fā)展方向

編輯

傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：具有抗電磁和原子輻射干擾的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能；絕緣、無感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)），或者對(duì)人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還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。

特點(diǎn)

1、因反射體中使用了棱鏡，所以與通用的反射型光控傳感器器相比，其檢測(cè)性能更高、更可靠2 、與分離式光控傳感器相比，電路連接更簡(jiǎn)單容易。

3、 子母扣嵌入式的設(shè)計(jì)，安裝更為簡(jiǎn)單

用途

1、用于電話、網(wǎng)絡(luò)寬帶等數(shù)字型號(hào)傳輸。

2、用于自動(dòng)售貨機(jī)、金融終端有關(guān)的設(shè)備、點(diǎn)鈔機(jī)的紙幣、卡、硬幣、存折等的通過情況3、用于自動(dòng)化設(shè)備上產(chǎn)品定位、計(jì)數(shù)、識(shí)別。 ［1］

原理

編輯

光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號(hào)光，再利用被測(cè)量對(duì)光的傳輸特性施加的影響，完成測(cè)量。

光纖傳感器的測(cè)量原理有兩種。

（1）物性型光纖傳感器原理，物性型光纖傳感器是利用光纖對(duì)環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號(hào)。其工作原理基于光纖的光調(diào)制效應(yīng)，即光纖在外界環(huán)境因素，如溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等等改變時(shí)，其傳光特性，如相位與光強(qiáng)，會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。

因此，如果能測(cè)出通過光纖的光相位、光強(qiáng)變化，就可以知道被測(cè)物理量的變化。這類傳感器又被稱為敏感元件型或功能型光纖傳感器。激光器的點(diǎn)光源光束擴(kuò)散為平行波，經(jīng)分光器分為兩路，一為基準(zhǔn)光路，另一為測(cè)量光路。外界參數(shù)（溫度、壓力、振動(dòng)等）引起光纖長(zhǎng)度的變化和相位的光相位變化，從而產(chǎn)生不同數(shù)量的干涉條紋，對(duì)它的模向移動(dòng)進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可測(cè)量溫度或壓等。

（2）結(jié)構(gòu)型光纖傳感器原理，結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是由光檢測(cè)元件（敏感元件）與光纖傳輸回路及測(cè)量電路所組成的測(cè)量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。 ［1］

性能

編輯

光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：具有抗電磁和原子輻射干擾的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能；絕緣、無感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方，或者對(duì)人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還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。 ［1］

特點(diǎn)

編輯

一、靈敏度較高；

二、幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；三、可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件；四、可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境；五、而且具有與光纖遙測(cè)技術(shù)的內(nèi)在相容性。

光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)是與傳統(tǒng)的各類傳感器相比，光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)，具有光纖及光學(xué)測(cè)量的特點(diǎn)，有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。電絕緣性能好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，非侵入性，高靈敏度，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控，耐腐蝕，防爆，光路有可撓曲性，便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)接。

傳感器朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)或者對(duì)人有害的地區(qū)，如核輻射區(qū)），起到人的耳目作用，而且還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。 ［1］

分類

編輯

根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式可以分為：強(qiáng)度調(diào)制型、偏振態(tài)制型、相位制型、頻率制型；根據(jù)光是否發(fā)生干涉可分為：干涉型和非干涉型；

根據(jù)是否能夠隨距離的增加連續(xù)地監(jiān)測(cè)被測(cè)量可分為：分布式和點(diǎn)分式；根據(jù)光纖在傳感器中的作用可以分為：一類是功能型（Functional Fiber，縮寫為FF）傳感器，又稱為傳感型傳感器； 另一類是非功能型（Non Functional Fiber縮寫為NFF），又稱為傳光型傳感器。 ［2］

功能型

功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件， 被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制， 使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化， 再通過對(duì)被調(diào)制過的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)， 從而得出被測(cè)信號(hào)。

光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測(cè)量調(diào)制，多采用多模光纖。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。

缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高，

典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。 ［2］

非功能光纖型

非功能型光纖傳感器是利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變化， 光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)，常采用單模光纖。

光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測(cè)量調(diào)制。

優(yōu)點(diǎn)：光纖即可用于電氣隔離，有用于數(shù)據(jù)傳輸，且光纖傳輸?shù)男盘?hào)不受電磁干擾的影響。

實(shí)用化的大都是非功能型的光纖傳感器。AnyWay的變頻電壓傳感器、變頻電流傳感器、變頻功率傳感器（一種電壓、電流組合式傳感器）就屬于非功能型的光纖傳感器，在復(fù)雜電磁環(huán)境下的電量測(cè)量中，有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，可以用來測(cè)量多種物理量，比如聲場(chǎng)、電場(chǎng)、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)難以完成的測(cè)量任務(wù)。在狹小的空間里，在強(qiáng)電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨(dú)特的能力。光纖傳感器有70多種，大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。

所謂光纖自身的傳感器，就是光纖自身直接接收外界的被測(cè)量。外接的被測(cè)量物理量能夠引起測(cè)量臂的長(zhǎng)度、折射率、直徑的變化，從而使得光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庠谡穹?、相位、頻率、偏振等方面發(fā)生變化。測(cè)量臂傳輸?shù)墓馀c參考臂的參考光互相干涉（比較），使輸出的光的相位（或振幅）發(fā)生變化，根據(jù)這個(gè)變化就可檢測(cè)出被測(cè)量的變化。光纖中傳輸?shù)南辔皇芡饨缬绊懙撵`敏度很高，利用干涉技術(shù)能夠檢測(cè)出10的負(fù)4次方弧度的微小相位變化所對(duì)應(yīng)的物理量。利用光纖的繞性和低損耗，能夠?qū)⒑荛L(zhǎng)的光纖盤成直徑很小的光纖圈，以增加利用長(zhǎng)度，獲得更高的靈敏度。

光纖聲傳感器就是一種利用光纖自身的傳感器。當(dāng)光纖受到一點(diǎn)很微小的外力作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力發(fā)生很大的變化。聲音是一種機(jī)械波，它對(duì)光纖的作用就是使光纖受力并產(chǎn)生彎曲，通過彎曲就能夠得到聲音的強(qiáng)弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種，與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本低，可以用于飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈等的高性能慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。如圖就是光纖傳感器渦輪流量計(jì)的原理。 ［2］

布拉格光柵

光纖布拉格光柵傳感器的工作原理

光纖布拉格光柵傳感器（FBS）是一種使用頻率最高，范圍最廣的光纖傳感器，這種傳感器能根據(jù)環(huán)境溫度以及/或者應(yīng)變的變化來改變其反射的光波的波長(zhǎng)。光纖布拉格光柵是通過全息干涉法或者相位掩膜法來將一小段光敏感的光纖暴露在一個(gè)光強(qiáng)周期分布的光波下面。這樣光纖的光折射率就會(huì)根據(jù)其被照射的光波強(qiáng)度而永久改變。這種方法造成的光折射率的周期性變化就叫做光纖布拉格光柵。

當(dāng)一束廣譜的光束被傳播到光纖布拉格光柵的時(shí)候，光折射率被改變以后的每一小段光纖就只會(huì)反射一種特定波長(zhǎng)的光波，這個(gè)波長(zhǎng)稱為布拉格波長(zhǎng)，這種特性就使光纖布拉格光柵只反射一種特定波長(zhǎng)的光波，而其它波長(zhǎng)的光波都會(huì)被傳播。

按光纖在光纖傳感器中的作用可分為傳感型和傳光型兩種類型。

傳感型光纖傳感器的光纖不僅起傳遞光作用，同時(shí)又是光電敏感元件。由于外界環(huán)境對(duì)光纖自身的影響，待測(cè)量的物理量通過光纖作用于傳感器上，使光波導(dǎo)的屬性（光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等）被調(diào)制。傳感器型光纖傳感器又分為光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、振態(tài)調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型等。 ［2］

傳光型光纖

傳光型光纖傳感器是將經(jīng)過被測(cè)對(duì)象所調(diào)制的光信號(hào)輸入光纖后，通過在輸出端進(jìn)行光信號(hào)處理而進(jìn)行測(cè)量的，這類傳感器帶有另外的感光元件對(duì)待測(cè)物理量敏感，光纖僅作為傳光元件，必須附加能夠?qū)饫w所傳遞的光進(jìn)行調(diào)制的敏感元件才能組成傳感元件。光纖傳感器根據(jù)其測(cè)量范圍還可分為點(diǎn)式光纖傳感器、積分式光纖傳感器、分布式光纖傳感器三種。其中，分布式光纖傳感器被用來檢測(cè)大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布，可以快速無損測(cè)量結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)部或表面應(yīng)力等重要參數(shù)。用于土木工程中的光纖傳感器類型主要有Math-Zender干涉型光纖傳感器，F(xiàn)abry-pero腔式光纖傳感器，光纖布喇格光柵傳感器等。

光纖傳感器的輕巧性、耐用性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，使其能夠方便的應(yīng)用于建筑鋼結(jié)構(gòu)和混凝土等各種建筑材料的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)的建筑結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)。

光纖傳感器的另外一個(gè)大類是利用光纖的傳感器。其結(jié)構(gòu)大致如下：傳感器位于光纖端部，光纖只是光的傳輸線，將被測(cè)量的物理量變換成為光的振幅，相位或者振幅的變化。在這種傳感器系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的傳感器和光纖相結(jié)合。光纖的導(dǎo)入使得實(shí)現(xiàn)探針化的遙測(cè)提供了可能性。這種光纖傳輸?shù)膫鞲衅鬟m用范圍廣，使用簡(jiǎn)便，但是精度比第一類傳感器稍低。

光纖在傳感器家族中是后起之秀，它憑借著光纖的優(yōu)異性能而得到廣泛的應(yīng)用，是在生產(chǎn)實(shí)踐中值得注意的一種傳感器。

光纖傳感器憑借著其大量的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為傳感器家族的后起之秀，并且在各種不同的測(cè)量中發(fā)揮著自己獨(dú)到的作用，成為傳感器家族中不可缺少的一員。 ［2］

應(yīng)用

編輯

絕緣于污穢、磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流，光纖傳感器可用于位移、震動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、壓力、彎曲、應(yīng)變、速度、加速度、電流、磁場(chǎng)、電壓、濕度、溫度、聲場(chǎng)、流量、濃度、PH值和應(yīng)變等物理量的測(cè)量。光纖傳感器的應(yīng)用范圍很廣，幾乎涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防上所有重要領(lǐng)域和人們的日常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環(huán)境中使用，解決了許多行業(yè)多年來一直存在的技術(shù)難題，具有很大的市場(chǎng)需求。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面的應(yīng)用：

城市建設(shè)中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應(yīng)用。光纖傳感器可預(yù)埋在混凝土、碳纖維增強(qiáng)塑料及各種復(fù)合材料中，用于測(cè)試應(yīng)力松弛、施工應(yīng)力和動(dòng)荷載應(yīng)力，從而評(píng)估橋梁短期施工階段和長(zhǎng)期營(yíng)運(yùn)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)性能。

在電力系統(tǒng)，需要測(cè)定溫度、電流等參數(shù)，如對(duì)高壓變壓器和大型電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)的溫度檢測(cè)等，由于電類傳感器易受電磁場(chǎng)的干擾，無法在這類場(chǎng)合中使用，只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發(fā)展起來的一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的高新技術(shù)，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)不僅具有普遍光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，還具有對(duì)光纖沿線各點(diǎn)的溫度的分布傳感能力，利用這種特點(diǎn)我們可以連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量光纖沿線幾公里內(nèi)各點(diǎn)溫度，定位精度可達(dá)米的量級(jí)，測(cè)量精度可達(dá)1度的水平，非常適用大范圍交點(diǎn)測(cè)溫的應(yīng)用場(chǎng)合。

此外，光纖傳感器還可以應(yīng)用于鐵路監(jiān)控、火箭推進(jìn)系統(tǒng)以及油井檢測(cè)等方面。

光纖同時(shí)具備寬帶、大容量、遠(yuǎn)距離傳輸和可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)、分布式、低能耗傳感的顯著優(yōu)點(diǎn)。光纖傳感可以不斷汲取光纖通信的新技術(shù)、新器件，各種光纖傳感器有望在物聯(lián)網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。 ［3］

案例

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土木工程領(lǐng)域

隨著光纖傳感器技術(shù)的發(fā)展，在土木工程領(lǐng)域光纖傳感器得到了廣泛的應(yīng)用，用來測(cè)量混凝土結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)部應(yīng)力，檢測(cè)大型結(jié)構(gòu)、橋梁健康狀況等，其中最主要的都是將光纖傳感器作為一種新型的應(yīng)變傳感器使用。

光纖傳感器可以黏貼在結(jié)構(gòu)物表面用于測(cè)量，同時(shí)也可以通過預(yù)埋實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物內(nèi)部物理量的測(cè)量。利用預(yù)先埋入的光纖傳感器，可以對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷過程中內(nèi)部應(yīng)變的測(cè)量，再根據(jù)荷載——應(yīng)變關(guān)系曲線斜率，可確定結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷的形成和擴(kuò)展方式。通過混凝土實(shí)驗(yàn)表明，光纖測(cè)試的載荷——應(yīng)變曲線比應(yīng)變片測(cè)試的線性度高。 ［4］

檢測(cè)技術(shù)

光纖傳感器在航天（飛機(jī)及航天器各部位壓力測(cè)量、溫度測(cè)量、陀螺等）、航海（聲納等）、石油開采（液面高度、流量測(cè)量、二相流中空隙度的測(cè)量）、電力傳輸（高壓輸電網(wǎng)的電流測(cè)量、電壓測(cè)量）、核工業(yè)（放射劑量測(cè)量、原子能發(fā)電站泄露劑量監(jiān)測(cè)）、醫(yī)療（血液流速測(cè)量、血壓及心音測(cè)量）、科學(xué)研究（地球自轉(zhuǎn)）等眾多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。 ［4］

石油工業(yè)

在石油測(cè)井技術(shù)中，可以利用光纖傳感器實(shí)現(xiàn)井下石油流量、溫度、壓力和含水率等物理量的測(cè)量。較成熟的應(yīng)用是采用非本征光纖F—P腔傳感器測(cè)量井下的壓力和溫度。非本征光纖F-P腔傳感器利用光的多光束干涉原理，當(dāng)被測(cè)的溫度或者壓力發(fā)生變化時(shí)干涉條紋改變，光纖F—P腔的腔長(zhǎng)也隨之發(fā)生變化，通過計(jì)算腔長(zhǎng)的變化實(shí)現(xiàn)溫度和壓力的測(cè)量。 ［4］

溫度測(cè)量

光纖傳感技術(shù)是伴隨光通信的迅速發(fā)展而形成的新技術(shù)。在光通信系統(tǒng)中，光纖是光波信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸?shù)拿劫|(zhì)。當(dāng)光波在光纖中傳輸時(shí)，表征光波的相位、頻率、振幅、偏振態(tài)等特征參量，會(huì)因溫度、壓力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)等外界因素的作用而發(fā)生變化，故可以將光纖用作傳感器元件，探測(cè)導(dǎo)致光波信號(hào)變化的各種物理量的大小，這就是光纖傳感器。利用外界因素引起光纖相位變化來探測(cè)物理量的裝置，稱為相位調(diào)制傳感型光纖傳感器，其他還有振幅調(diào)制傳感型、偏振態(tài)調(diào)制型、傳光型等各種光纖傳感器。 ［4］

楊氏模量

采用傳感器測(cè)量?jī)x代替光杠桿鏡尺組組成新的楊氏模量測(cè)量系統(tǒng)，不僅操作簡(jiǎn)短，而且提高了測(cè)量結(jié)果的精確度和準(zhǔn)確度。金屬絲傳統(tǒng)的拉伸法的基本原理是將金屬絲受到砍碼的作用力后的微小伸長(zhǎng)形變量通過鏡尺組的光路轉(zhuǎn)換而將之放大若干倍數(shù)，從而得到微小伸長(zhǎng)，再通過計(jì)算得到楊氏模量值。

而自從有的傳感器，我們把光纖傳感器測(cè)量新方法和上述方法對(duì)比，光纖傳感器的測(cè)量在靈敏度、精確度及準(zhǔn)確度上都有提高。紅外光測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量的基本原理為采用紅外光光纖傳感器直接測(cè)量微小位移，紅外光光纖傳感器對(duì)于3mm以內(nèi)的微小距離測(cè)量的線性度是非常高的。系統(tǒng)由傳感器測(cè)量?jī)x與反射式光纖位移傳感器組成。

反射式光纖位移傳感器的工作原理是采用兩束多模光纖，一端合并組成光纖探頭，另一端分為兩束，分別作為接收光纖和光源光纖。當(dāng)光發(fā)射器發(fā)生的紅外光，經(jīng)光源光纖照射至反射體，被反射的光經(jīng)接收光纖，傳至光電轉(zhuǎn)換元件將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。其輸出的光強(qiáng)與反射體距光纖探頭的距離之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，所以可通過對(duì)光強(qiáng)的檢測(cè)得到位移量。在楊氏模量?jī)x的金屬絲處的圓柱體上利用磁鐵固定鍍鎳反射金屬片，使其能隨鋼絲伸長(zhǎng)而移動(dòng)。在支架臺(tái)上固定紅外傳感器，而后在傳感器測(cè)量?jī)x上通過改變位移將實(shí)驗(yàn)得到的電勢(shì)差值，通過多次測(cè)試，既轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器測(cè)量?jī)x自帶的螟旋測(cè)微儀，也即改變探頭與金屬片的距離和位置，當(dāng)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)記錄的鋼絲仲長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的電勢(shì)差值時(shí)，記錄此時(shí)的螺旋測(cè)微儀讀數(shù)。測(cè)試表明采用紅外光測(cè)距此方法操作簡(jiǎn)單。只需將探頭和反射片安裝好后就可以直接開始在托盤上加法碼實(shí)際測(cè)量了，側(cè)量的結(jié)果是明顯優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)試。［3］

環(huán)境分析

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隨著中國(guó)工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用環(huán)境的不斷發(fā)展，儀器儀表行業(yè)日新月異，當(dāng)前儀器儀表行業(yè)面臨新的發(fā)展，這一行業(yè)的十二五規(guī)劃（草案），也根據(jù)新時(shí)期的要求，提出了重點(diǎn)發(fā)展的若干關(guān)鍵技術(shù)，這對(duì)行業(yè)未來發(fā)展無疑有著重要的指導(dǎo)意義。

新型傳感器技術(shù)包括固態(tài)硅傳感器技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、生物芯片技術(shù)、基因芯片技術(shù)、圖像傳感器技術(shù)、全固態(tài)慣性傳感器技術(shù)等。“十二五”將以智能傳感器作為重點(diǎn)，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。在光纖傳感領(lǐng)域，重點(diǎn)發(fā)展新原理、新效應(yīng)的傳感技術(shù)，傳感器智能技術(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，微型化和低功耗技術(shù)以及傳感器陣列及多功能多參數(shù)設(shè)計(jì)、制造和封裝技術(shù)。

目前有數(shù)百個(gè)單位在這一領(lǐng)域開展工作，如清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、天津大學(xué)、重慶大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等，他們?cè)诠饫w溫度傳感器、壓力計(jì)、流量計(jì)、液位計(jì)、電流計(jì)等領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究。此外，在武漢、上海、廣東、深圳等地，還建立了許多光纖無源器件生產(chǎn)廠家，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到1200億元以上。

（一）影響行業(yè)發(fā)展的有利因素分析

國(guó)家科委于1987年4月制定的《傳感器發(fā)展政策》白皮書確定了必須大力發(fā)展傳感器技術(shù)，特別是要把新型傳感器技術(shù)作為優(yōu)先領(lǐng)域予以發(fā)展。1991年 12月30日《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的十年規(guī)劃和八五計(jì)劃的建議》中第21條明確了要大力加強(qiáng)傳感器的開發(fā)和在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的普遍應(yīng)用。

（二）影響行業(yè)發(fā)展的不利因素分析

雖然光纖傳感器技術(shù)在實(shí)際檢測(cè)中取得了一些應(yīng)用，但仍存在一些問題，如光纖埋入結(jié)構(gòu)的工藝問題，雖然可以通過安裝方式得到改善，但同時(shí)也導(dǎo)致了應(yīng)變要先經(jīng)過金屬傳遞，然后再由光纖間接感應(yīng)到應(yīng)變，因此需要通過實(shí)驗(yàn)修正才能夠進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。同時(shí)光纖傳感器的輸出信號(hào)會(huì)受到光源波動(dòng)、光纖傳輸損耗變化、探測(cè)器老化等因素的影響，這些因素都會(huì)降低光纖傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性。再者目前光纖傳感器實(shí)用性還有待開發(fā)，同時(shí)其制作成本相當(dāng)昂貴。目前光纖傳感器很大一部分產(chǎn)品還在實(shí)驗(yàn)室階段，因此需要將實(shí)驗(yàn)結(jié)果盡快投入到使用中去。

隨著市場(chǎng)逐漸開放和中國(guó)投資環(huán)境的改善以及全球化經(jīng)濟(jì)的進(jìn)程加速，各國(guó)傳感器廠家紛紛進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，這加劇了市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。中國(guó)本土傳感器技術(shù)水平與世界水平相比仍存在很大差距，這種差距一方面表現(xiàn)為傳感器在感知信息方面的落后，另一方面則表現(xiàn)為傳感器自身在智能化和網(wǎng)絡(luò)化方面的技術(shù)落后。國(guó)產(chǎn)企業(yè)形成了“外強(qiáng)中干”的局面，不僅失去了中高端產(chǎn)品市場(chǎng)，而且直接導(dǎo)致自己能生產(chǎn)的產(chǎn)品品種單一，同質(zhì)化嚴(yán)重，國(guó)產(chǎn)傳感器價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，但質(zhì)量上與國(guó)外產(chǎn)品相比仍存在一定差距，一般應(yīng)用在對(duì)信號(hào)要求不高的區(qū)域。 ［3］

行業(yè)分析

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光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)光，在經(jīng)過光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。

由于在傳統(tǒng)終端市場(chǎng)的應(yīng)用可能性擴(kuò)大以及新應(yīng)用領(lǐng)域的新興機(jī)會(huì)所推動(dòng)，2013年全球光纖傳感器市場(chǎng)規(guī)模為18.9億美元。預(yù)計(jì)，到2020年，全球光纖傳感器市場(chǎng)預(yù)計(jì)達(dá)35億美元（約合人民幣217.2億元）。

傳統(tǒng)終端市場(chǎng)包括航空航天、國(guó)防、石油天然氣開采、基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展和電信行業(yè)。傳統(tǒng)終端市場(chǎng)的發(fā)展將繼續(xù)推進(jìn)全球光纖傳感器市場(chǎng)的增長(zhǎng)。通信行業(yè)從3G到4G網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)過渡、關(guān)注智能結(jié)構(gòu)的增長(zhǎng)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的新興增長(zhǎng)、石油天然氣領(lǐng)域的發(fā)展都為市場(chǎng)增長(zhǎng)提供了重要機(jī)遇。

尤其是在新興市場(chǎng)中，如中國(guó)和印度，增長(zhǎng)的制造活動(dòng)、上升的汽車需求、穩(wěn)定的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)活動(dòng)以及國(guó)防支出的增加，都成為全球光纖傳感器行業(yè)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)因素。 ［3］

組成結(jié)構(gòu)

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光纖傳感器網(wǎng)的三種基本構(gòu)成。

光纖傳感器網(wǎng)有三種基本構(gòu)成，其中一個(gè)叫單點(diǎn)式傳感器。一根光纖在這里僅僅起到傳輸?shù)淖饔?，另外一種叫多點(diǎn)式傳感器，在這里一根光纖把很多傳感器串起來，這樣很多傳感器可以共用光源實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性監(jiān)測(cè)。再有就是智能光纖傳感器。

多點(diǎn)式光纖傳感器，從外表看就是一節(jié)光柵，通過紫外線照射發(fā)現(xiàn)有周期性的間隔。當(dāng)有光纖入射的時(shí)候，如果光纖的波長(zhǎng)正好等于間隔的兩倍，那么這個(gè)光波將會(huì)受到強(qiáng)烈的反射，而如果光纖受到溫度變化或者應(yīng)變等等，這個(gè)反射波長(zhǎng)將會(huì)發(fā)生變化，這種傳感器在一根光纖上可以做很多個(gè)，把它連接起來就可以用于各種各樣的傳感應(yīng)用。

因?yàn)楣饫w是軟的，它可以兩維、三維，所以橫軸是空間的位置，縱軸是測(cè)量對(duì)象。這樣一個(gè)傳感網(wǎng)解決了什么問題呢？它解決了在什么位置上發(fā)生了什么事情，那個(gè)事情有多少個(gè)強(qiáng)度的問題，也就是提供了兩維的信息。這就是智能光纖傳感器所需要解決的問題，它有非常突出的特點(diǎn)要求，包括體積小、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，可植入材料中。抗電磁干擾、耐環(huán)境。 ［1］

光纖傳感器已經(jīng)成功應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。我們看到A-380和波音787，它們的特點(diǎn)是超過一半數(shù)量是碳纖維，比如說碳纖維符合樹脂有幾種缺失，一個(gè)是層與層之間的剝離，由于這種材料比較強(qiáng)，所以很難像鋁合金材料那樣實(shí)行碳酸檢測(cè)，所以研究人員現(xiàn)在開始研究把光纖傳感器埋到復(fù)合材料當(dāng)中去，由于這種材料一層大概125微米的厚度，所以這種光纖傳感器必須是特別細(xì)小的光纖傳感器，大概直徑在50個(gè)微米左右。

我們說光纖傳感器網(wǎng)可以成為安全安心社會(huì)的神經(jīng)網(wǎng)。光纖傳感器網(wǎng)可以用語光纖通訊網(wǎng)的診斷技術(shù)。光纖傳感器網(wǎng)在安防方面已經(jīng)有很多的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)有很多企業(yè)在這方面開展了卓有成效的工作。 ［3］

發(fā)展前景

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國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，應(yīng)用最為廣泛的光纖傳感技術(shù)當(dāng)屬布拉格光纖光柵和基于光時(shí)域反射的分布式傳感器，這種技術(shù)基本上可以滿足中低端市場(chǎng)的需求。而現(xiàn)在光譜線寬窄至2kHz的單頻光纖激光器及其引申出來的最新一代光傳感技術(shù)，這與傳統(tǒng)的光纖傳感有很大的區(qū)別，它可以進(jìn)行超遠(yuǎn)距離的傳輸，精度和敏感度能達(dá)到更高的要求，這在高端市場(chǎng)上需求很大，21世紀(jì)初，該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚處于立項(xiàng)和預(yù)研階段。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上光纖傳感器應(yīng)用主要在以下四種：光纖陀螺、光纖光柵傳感器、光纖電流傳感器和光纖水聽器。下面對(duì)這四種產(chǎn)品分別介紹一下。

一、光纖陀螺。 光纖陀螺按原理可分為干涉型、諧振型和布里淵型，這是三代光纖陀螺的代表。第一代干涉型光纖陀螺，21實(shí)際初期，該項(xiàng)技術(shù)就已經(jīng)成熟，適合進(jìn)行批量生產(chǎn)和商品化；第二代諧振型光纖陀螺，暫時(shí)還處于實(shí)驗(yàn)室研究向?qū)嵱没七M(jìn)的發(fā)展階段；第三代布里淵型，它還處于理論研究階段。光纖陀螺結(jié)構(gòu)根據(jù)所采用的光學(xué)元件有三種實(shí)現(xiàn)方法：小型分立元件系統(tǒng)、全光纖系統(tǒng)和集成光學(xué)元件系統(tǒng)。21世紀(jì)初期，分立光學(xué)元件技術(shù)已經(jīng)基本退出，全光纖系統(tǒng)用在開環(huán)低精度、低成本的光纖陀螺中，集成光學(xué)器件陀螺由于其工藝簡(jiǎn)單、總體重復(fù)性好、成本低，所以在高精度光纖陀螺很受歡迎，是其主要實(shí)現(xiàn)方法。

二、光纖光柵傳感器。 目前國(guó)內(nèi)外傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一光纖布拉格光柵傳感器。傳統(tǒng)光纖傳感器基本上可分為兩種類型：光強(qiáng)型和干涉型。光強(qiáng)型傳感器的缺點(diǎn)在于光源不穩(wěn)定，而且光纖損耗和探測(cè)器容易老化；干涉型傳感器由于要求兩路干涉光的光強(qiáng)同等，所以 需要固定參考點(diǎn)而導(dǎo)致應(yīng)用不方便。21世紀(jì)初期開發(fā)的以光纖布拉格光柵為主的光纖光柵傳感器可以避免出現(xiàn)上面兩種情況，其傳感信號(hào)為波長(zhǎng)調(diào)制、復(fù)用能力強(qiáng)。在建筑健康檢測(cè)、沖擊檢測(cè)、形狀控制和振動(dòng)阻尼檢測(cè)等應(yīng)用中，光纖光柵傳感器是最理想的靈敏元件。光纖光柵傳感器在地球動(dòng)力學(xué)、航天器、電力工業(yè)和化學(xué)傳感中有廣泛的應(yīng)用。

三、光纖電流傳感器。電力工業(yè)的迅猛發(fā)展帶動(dòng)電力傳輸系統(tǒng)容量不斷增加，運(yùn)行電壓等級(jí)也越來越高，電流也越來越大，這樣測(cè)量起來就非常困難，這就顯現(xiàn)出光纖電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)了。在電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的用來測(cè)量電流的傳感器是以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)，這就存在以下缺點(diǎn)：它容易爆炸以至引起災(zāi)難性事故；大故障電流會(huì)造成鐵芯磁飽和；鐵芯發(fā)生共振效應(yīng)；頻率響應(yīng)慢；測(cè)量精度低；信號(hào)易受干擾；體積重量大、價(jià)格昂貴等等，已經(jīng)很難滿足新一代數(shù)字電力網(wǎng)的發(fā)展需要。這個(gè)時(shí)候光纖電流傳感器應(yīng)運(yùn)而生。

四、光纖水聽器。 光纖水聽器主要用來測(cè)量水下聲信號(hào)，它通過高靈敏度的光纖相干檢測(cè)，將水聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并通過光纖傳至信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別。與傳統(tǒng)水聽器相比，光纖水聽器具有靈敏度高、響應(yīng)帶寬寬、不受電磁干擾等特點(diǎn)，廣泛用于軍事和石油勘探、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。光纖水聽器按原理可分為干涉型、強(qiáng)度型、光柵型等。干涉型光纖水聽器關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成熟，在部分領(lǐng)域形成產(chǎn)品；光纖光柵水聽器則是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，研究的關(guān)鍵技術(shù)涉及光源、光纖器件、探頭技術(shù)、抗偏振衰落技術(shù)、抗相位衰落技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、多路復(fù)用技術(shù)以及工程技術(shù)等。

光纖傳感器技術(shù)是建立在光纖、光通信和光電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，電磁干擾和腐蝕作用對(duì)它的影響很小，還能適應(yīng)各種惡劣的氣象環(huán)境，不要額外的電源進(jìn)行供電，就可以長(zhǎng)距離的進(jìn)行傳輸，已成為傳感器行業(yè)的研究熱點(diǎn)。

傳感器一直朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍卻是倍受青睞。

光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能。光纖傳感器應(yīng)用于對(duì)磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測(cè)量。其應(yīng)用范圍十分廣泛。因此我們可以說光纖傳感器具有很大的市場(chǎng)需求，不說長(zhǎng)久，至少在未來5年，光纖傳感器將會(huì)有廣闊的發(fā)展前景。

光纖傳感技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，滿足了各類控制裝置及系統(tǒng)對(duì)信息的獲取與傳輸提出的更高要求，使得各領(lǐng)域的自動(dòng)化程度越來越高，作為系統(tǒng)信息獲取與傳輸核心器件的光纖傳感器的研究非常重要。

光纖傳感器技術(shù)發(fā)展的主要方向是：（1）多用途。即一種光纖傳感器不僅只針對(duì)一種物理量，要能夠?qū)Χ喾N物理量進(jìn)行同時(shí)測(cè)量。（2）提高分布式傳感器的空間分辨率、靈敏度，降低其成本，設(shè)計(jì)復(fù)雜的傳感器網(wǎng)絡(luò)工程。注意分布式傳感器的參數(shù)，即壓力、溫度，特別是化學(xué)參數(shù)（碳?xì)浠衔?、一些污染物、濕度、PH值等）對(duì)光纖的影響。（3）新型傳感材料、傳感技術(shù)等的開發(fā)。（4）在惡劣條件下（高溫、高壓、化學(xué)腐蝕）低成本傳感器（支架、連接、安裝）的開發(fā)和應(yīng)用。（5）光纖連接器及與其它微技術(shù)結(jié)合的微光學(xué)技術(shù)。

光纖傳感運(yùn)用主要分為五大方向：

（1）石油和天然氣——油藏監(jiān)測(cè)井下的P/T傳感、地震陣列、能源工業(yè)、發(fā)電廠、鍋爐及蒸汽渦輪機(jī)、電力電纜、渦輪機(jī)運(yùn)輸、煉油廠；（2）航空航天——噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭推進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)身；（3）民用基礎(chǔ)建設(shè)——橋梁、大壩、道路、隧道、滑坡；（4）交通運(yùn)輸——鐵路監(jiān)控、運(yùn)動(dòng)中的重量、運(yùn)輸安全；（5）生物醫(yī)學(xué)——醫(yī)用溫度壓力、顱內(nèi)壓測(cè)量、微創(chuàng)手術(shù)、一次性探頭。

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