1、 文献综述报告 光纤传感器综述光纤传感器综述 姓 名： 学 院：理学院 专 业：光学工程 年 级： 学 号： 指导教师： 2017 年 9 月 24 日 文献综述报告 1 光纤传感器综述 摘要 光纤传感器是一种有广泛应用前景的新型传感器。本文对光纤传感器的原理、特 点、分类和发展历程进行了详细综述，介绍了光纤温度传感器、光纤陀螺仪这两种典型光 纤传感器的应用，指出了这类光纤传感器在应用过程中存在的问题，并提出光纤传感器今 后的发展趋势, 为光纤传感器的深入研究提供了有益参考。 关键词：光纤传感器 原理 特点 发展历程 发展趋势 一、一、引言引言 传感器在当代科技领域及实际应用中占有十分重要的地
2、位，各种类型的传感器早已广 泛应用于各个学科领域。近年来，传感器朝着灵敏、精巧、适应性强、智能化和网络化方 向发展。光纤传感技术是 20 世纪 70 年代末新兴的一项技术 1 ，在全世界成了研究热门， 已与光纤通信并驾齐驱。光纤传感器作为传感器家族的一名新成员，由于其优越的性能而 备受青睐，其具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度高、测量带宽、检测电 子设备与传感器可以间隔很远等优点，优良的性能使得光纤传感器具有广泛的应用前景。 本文从光纤传感器的基本原理及特点、光纤传感器的发展历程、光纤传感器的分类及应用 原理、光纤传感器的应用及存在问题以及光纤传感器的发展趋势五大方面对光纤传感器进
3、 行介绍。 二、二、光纤传感光纤传感器的器的基本原理基本原理及特点及特点 光纤( Optical Fiber) 是光导纤维的简称，光纤的主要成份为二氧化硅，由折射较 高的纤芯、折射率较低的包层及保护层组成。纤芯为直径大约 0.1 mm 左右的细玻璃丝， 把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。光纤传感器的发现起源于探测光纤外部扰 动的实践，在实践中，人们发现当光纤受到外界环境的变化时，会引起光纤内部传输光波 参数的变化，而这些变化与外界因素成一定规律，由此发展出光纤传感技术。 文献综述报告 2 2.1 基本原理 图 1 是光纤传感器的原理结构图。光纤传感器通常由光源、传输光纤、传感元件或 调
4、制区、光检测等部分组成。众所周知，描述光波特征的参量很多，如光强、波长、振幅、 相位、偏振态和模式分布等，这些参量在光纤传输中都可能会受外界影响而发生改变，特 别如温度、压力、振动、弯曲以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时，都会使这些 参量发生相应变化。光纤传感器就是利用这些参量随外界因素变化的关系来检测各相应物 理量的大小 2。 图 1 光纤传感器原理结构 2.2 特点 与传统的传感器不同，光纤优良的物理化学、机械以及传输性能，使光纤传感器具有 一系列独特的优点。 (1)灵敏度高：由于光是一种波长极短的电磁波，通过光的相位便得到其光学长度。 以光纤干涉仪为例，由于所使用的光纤直径很小，受
5、到微小的机械外力的作用或温度变化 时其光学长度要发生变化，从而引起较大的相位变化。假设用 10 米的光纤，l的变化引 起 1000ard 的相位变化，若能够检测出的最小相位变化为 0.01ard，那么所能测出的最小 温度变化为 l0，可见其灵敏度之高。 (2)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， 而光纤是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，同时安全可靠，因此光纤传感器可以方便有效地用 于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆的恶劣环境中。 (3)测量速度快：光的传播速度快且能传送二维信息，因此可用于高速测量。当信号 的分析具有极高的检测速率要求时，应用电子
6、学的方法往往难以实现，此时利用光衍射现 象的高速频谱分析便可解决问题。 (4)信息容量大：被测信号以光波为载体，而光的频率极高，所容纳的频带很宽，且 同一根光纤可以传输多路信号。 (5)适用于恶劣环境：光纤是一种电介质，耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰，可用于其 文献综述报告 3 它传感器无法适应的恶劣环境中。 此外，光纤传感器还具有质量轻、体积小、可绕曲、测量对象广泛、复用性好、成本 低等特点。 三、三、光纤传感器的发展历程光纤传感器的发展历程 1989 年美国布朗大学的 Mendez 等人 3首先提出了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构 和建筑检测的可能性之后，美国，加拿大，英国，德国，日本，瑞士等国纷纷将光纤传感 技术应用于桥梁等建筑物的安全监测；加拿大的 Beddington Trail 大桥是最早使用光纤 光栅传感器进行测量的桥梁之一， 16 个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆 和炭纤复合材料筋上，对桥梁结构进行长期监测 4；近年来以加拿大渥太华大学和瑞士联 邦工学院为代表的分布式布里渊光纤传感技术(BOTDA/BOT
