光纖傳感器發(fā)展現(xiàn)狀
國內(nèi)市場上,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,這在高端市場上需求很大,21實際初,該項技術(shù)在國內(nèi)尚處于立項和預(yù)研階段。國內(nèi)市場上光纖傳感器應(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實際初期,該項技術(shù)就已經(jīng)成熟,適合進行批量生產(chǎn)和商品化;第二代諧振型光纖陀螺,暫時還處于實驗室研究向?qū)嵱没七M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,是其主要實現(xiàn)方法。
二、光纖光柵傳感器。 目前國內(nèi)外傳感器領(lǐng)域的研究熱點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:光強型和干涉型。光強型傳感器的缺點在于光源不穩(wěn)定,而且光纖損耗和探測器容易老化;干涉型傳感器由于要求兩路干涉光的光強同等,所以 需要固定參考點而導(dǎo)致應(yīng)用不方便。21實際初期開發(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,其傳感信號為波長調(diào)制、復(fù)用能力強。在建筑健康檢測、沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等應(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)展帶動電力傳輸系統(tǒng)容量不斷增加,運行電壓等級也越來越高,電流也越來越大,這樣測量起來就非常困難,這就顯現(xiàn)出光纖電流傳感器的優(yōu)點了。在電力系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的用來測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:它容易爆炸以至引起災(zāi)難性事故;大故障電流會造成鐵芯磁飽和;鐵芯發(fā)生共振效應(yīng);頻率響應(yīng)慢;測量精度低;信號易受干擾;體積重量大、價格昂貴等等,已經(jīng)很難滿足新一代數(shù)字電力網(wǎng)的發(fā)展需要。這個時候光纖電流傳感器應(yīng)運而生。
四、光纖水聽器。 光纖水聽器主要用來測量水下聲信號,它通過高靈敏度的光纖相干檢測,將水聲信號轉(zhuǎn)換為光信號,并通過光纖傳至信號處理系統(tǒng)進行識別。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,廣泛用于軍事和石油勘探、環(huán)境檢測等領(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,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,不要額外的電源進行供電,就可以長距離的進行傳輸,已成為傳感器行業(yè)的研究熱點。
傳感器一直朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強、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需求,不說長久,至少在未來5年,光纖傳感器將會有廣闊的發(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)對信息的獲取與傳輸提出的更高要求,使得各領(lǐng)域的自動化程度越來越高,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一種物理量,要能夠?qū)Χ喾N物理量進行同時測量。
(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)。
光纖傳感運用主要分為五大方向:
(1)石油和天然氣——油藏監(jiān)測井下的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、電力電纜、渦輪機運輸、煉油廠;
(2)航空航天——噴氣發(fā)動機、火箭推進系統(tǒng)、機身;
(3)民用基礎(chǔ)建設(shè)——橋梁、大壩、道路、隧道、滑坡;
(4)交通運輸——鐵路監(jiān)控、運動中的重量、運輸安全;
(5)生物醫(yī)學(xué)——醫(yī)用溫度壓力、顱內(nèi)壓測量、微創(chuàng)手術(shù)、一次性探頭。
文章標(biāo)題:光纖傳感器發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展方向
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