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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80年代便制定了“光控系统应用计划”,该计划旨在将光纤传感器用于大型工厂,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15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。这种网络装置可连接1000个以上的传感器。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。
(2)国内光纤传感器发展现状
我国在70年代末就开始了光纤传感器的研究,其起步时间与国际相差不远。目前已有上百个单位在这一领域开展工作,其中的大学包括清华大学、北京航天航空大学,哈尔滨工程大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、大连理工大学、北京交通大学、华中科技大学、北京理工大学、南开大学、天津大学、武汉理工大学、重庆大学、电子科技大学、上海大学、上海交通大学、复旦大学、浙江大学、南京大学、南京航空航天大学、暨南大学、深圳大学、国防科技大学、中国计量大学等,研究所包括:电子工业部下的38所,航天11所、中科院半导体所、上海微系统所、航空304所等。目前从事光纤传感器产业化的公司估计有上一百家了。他们在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移计等领域进行了大量的研究,取得了上百项科研成果,其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值,有的达到世界先进水平。每年发表的论文、申请的专利也不少。但与发达国家相比,我国的差距主要表现在产品的可靠性、稳定性方面,大多数品种仍处于实验室研制阶段,不能投入批量生产和工程化应用。
三、光纤传感器的分类
光纤传感器按其工作原理可以分为两类:一类是非功能型(或称传光型)光纤传感器,另一类是功能型(或称传感型)光纤传感器。非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为传播光的介质,传输来自远处或者难以接近场所的光信号。功能型传感型光纤传感器则是利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作为传感元件,自身实现传感功能的传感器。这类传感器中,光纤不仅起传递光的作用,而且还利用光纤在外界因素的作用下,其光学特性的变化来实现传感的功能。根据被调制的光波参数不同,这两类光纤传感器都可再分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振态调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。
(1)强度调制型光纤传感器
基本原理是待测物理量引起光纤中传输光光强的变化,通过检测光强的变化实现对待测量的测量。一恒定光源发出的一定强度的激光注入传感头,在传感头内,光在被测信号的作用下其强度发生了变化,即受到了外场的调制,使得输出光强的包络线与被测信号的形状一样,光电探测器测出的输出电流也作同样的调制,信号处理电路再检测出调制信号,就得到了被测信号。这类传感器的优点是结构简单、成本低、容易实现,因此开发应用的比较早,现在已经成功的应用在位移、压力、表面粗糙度、加速度、间隙、力、液位、振动、辐射等的测量。强度调制的方式很多,大致可分为反射式强度调制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸收系数强度调制等等。一般反射式强度调制、透射式强度调制、折射率强度调制称为外调制式,光模式称为内调制式。但是由于原理的限制,它易受光源波动和连接器损耗变化等的影响,因此这种传感器只能用于干扰源较小的场合。
(2)相位调制型光纤传感器
基本原理是:在被测能量场的作用下,光纤内的光波的相位发生变化,再用干涉测量技术将相位的变化转换成光强的变化,从而检测到待测的物理量。相位调制型光纤传感器的优点是具有极高的灵敏度,动态测量范围大,同时响应速度也快,其缺点是对光源要求比较高同时对检测系统的精密度要求也比较高,因此成本相应较高。目前主要的应用领域为:利用光弹效应的声、压力或振动传感器;利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器;利用电致伸缩的电场、电压传感器;利用赛格纳克效应的旋转角速度传感器(光纤陀螺)等。
延伸阅读:光纤传感技术及其应用详述
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