光纤传感器

光纤传感器
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光信号的传感器
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发展方向
传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员备受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：具有抗电磁和原子辐射干扰的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还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。
特点
1、因反射体中使用了棱镜，所以与通用的反射型光控传感器器相比，其检测性能更高、更可靠
2 、与分离式光控传感器相比，电路连接更简单容易。
3、 子母扣嵌入式的设计，安装更为简单
用途
1、用于电话、网络宽带等数字型号传输。
2、用于自动售货机、金融终端有关的设备、点钞机的纸币、卡、硬币、存折等的通过情况
3、用于自动化设备上产品定位、计数、识别。 
原理
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，称为被调制的信号光，再利用被测量对光的传输特性施加的影响，完成测量。
光纤传感器的测量原理有两种。
（1）物性型光纤传感器原理，物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。
因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界参数(温度、压力、振动等)引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压等。
（2）结构型光纤传感器原理，结构型光纤传感器是由光检测元件(敏感元件)与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。 
性能
光纤具有很多优异的性能，例如：具有抗电磁和原子辐射干扰的性能，径细、质软、重量轻的机械性能;绝缘、无感应的电气性能;耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方，或者对人有害的地区(如核辐射区)，起到人的耳目的作用，而且还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。 
特点
一、灵敏度较高；
二、几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；
三、可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；
四、可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；
五、而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。
光纤传感器的优点是与传统的各类传感器相比，光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，具有光纤及光学测量的特点，有一系列独特的优点。电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，非侵入性，高灵敏度，容易实现对被测信号的远距离监控，耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接。
传感器朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展，它能够在人达不到的地方（如高温区或者对人有害的地区，如核辐射区），起到人的耳目作用，而且还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。 
分类
根据光受被测对象的调制形式可以分为：强度调制型、偏振态制型、相位制型、频率制型；
根据光是否发生干涉可分为：干涉型和非干涉型；
根据是否能够随距离的增加连续地监测被测量可分为：分布式和点分式；
根据光纤在传感器中的作用可以分为：一类是功能型（Functional Fiber，缩写为FF)传感器，又称为传感型传感器； 另一类是非功能型（Non Functional Fiber缩写为NFF)，又称为传光型传感器。 
功能型
功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件， 被测量对光纤内传输的光进行调制， 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化， 再通过对被调制过的信号进行解调， 从而得出被测信号。
光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。
优点：结构紧凑、灵敏度高。
缺点：须用特殊光纤，成本高，
典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。 
非功能光纤型
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， 光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。
光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。
优点：光纤即可用于电气隔离，有用于数据传输，且光纤传输的信号不受电磁干扰的影响。
实用化的大都是非功能型的光纤传感器。AnyWay的变频电压传感器、变频电流传感器、变频功率传感器（一种电压、电流组合式传感器）就属于非功能型的光纤传感器，在复杂电磁环境下的电量测量中，有其独到的优势。
光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。光纤传感器有70多种，大致上分成光纤自身传感器和利用光纤的传感器。
所谓光纤自身的传感器，就是光纤自身直接接收外界的被测量。外接的被测量物理量能够引起测量臂的长度、折射率、直径的变化，从而使得光纤内传输的光在振幅、相位、频率、偏振等方面发生变化。测量臂传输的光与参考臂的参考光互相干涉（比较），使输出的光的相位(或振幅)发生变化，根据这个变化就可检测出被测量的变化。光纤中传输的相位受外界影响的灵敏度很高，利用干涉技术能够检测出10的负4次方弧度的微小相位变化所对应的物理量。利用光纤的绕性和低损耗，能够将很长的光纤盘成直径很小的光纤圈，以增加利用长度，获得更高的灵敏度。
光纤声传感器就是一种利用光纤自身的传感器。当光纤受到一点很微小的外力作用时，就会产生微弯曲，而其传光能力发生很大的变化。声音是一种机械波，它对光纤的作用就是使光纤受力并产生弯曲，通过弯曲就能够得到声音的强弱。光纤陀螺也是光纤自身传感器的一种，与激光陀螺相比，光纤陀螺灵敏度高，体积小，成本低，可以用于飞机、舰船、导弹等的高性能惯性导航系统。。 
布拉格光栅
光纤布拉格光栅传感器（FBS）是一种使用频率最高，范围最广的光纤传感器，这种传感器能根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长。光纤布拉格光栅是通过全息干涉法或者相位掩膜法来将一小段光敏感的光纤暴露在一个光强周期分布的光波下面。这样光纤的光折射率就会根据其被照射的光波强度而永久改变。这种方法造成的光折射率的周期性变化就叫做光纤布拉格光栅。
当一束广谱的光束被传播到光纤布拉格光栅的时候，光折射率被改变以后的每一小段光纤就只会反射一种特定波长的光波，这个波长称为布拉格波长，这种特性就使光纤布拉格光栅只反射一种特定波长的光波，而其它波长的光波都会被传播。
按光纤在光纤传感器中的作用可分为传感型和传光型两种类型。
传感型光纤传感器的光纤不仅起传递光作用，同时又是光电敏感元件。由于外界环境对光纤自身的影响，待测量的物理量通过光纤作用于传感器上，使光波导的属性(光强、相位、偏振态、波长等)被调制。传感器型光纤传感器又分为光强调制型、相位调制型、振态调制型和波长调制型等。 
传光型光纤
传光型光纤传感器是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后，通过在输出端进行光信号处理而进行测量的，这类传感器带有另外的感光元件对待测物理量敏感，光纤仅作为传光元件，必须附加能够对光纤所传递的光进行调制的敏感元件才能组成传感元件。光纤传感器根据其测量范围还可分为点式光纤传感器、积分式光纤传感器、分布式光纤传感器三种。其中，分布式光纤传感器被用来检测大型结构的应变分布，可以快速无损测量结构的位移、内部或表面应力等重要参数。用于土木工程中的光纤传感器类型主要有Math-Zender干涉型光纤传感器，Fabry-pero腔式光纤传感器，光纤布喇格光栅传感器等。
光纤传感器的轻巧性、耐用性和长期稳定性，使其能够方便的应用于建筑钢结构和混凝土等各种建筑材料的内部应力、应变检测。实现的建筑结构的健康检测。
光纤传感器的另外一个大类是利用光纤的传感器。其结构大致如下：传感器位于光纤端部，光纤只是光的传输线，将被测量的物理量变换成为光的振幅，相位或者振幅的变化。在这种传感器系统中，传统的传感器和光纤相结合。光纤的导入使得实现探针化的遥测提供了可能性。这种光纤传输的传感器适用范围广，使用简便，但是精度比第一类传感器稍低。
光纤在传感器家族中是后起之秀，它凭借着光纤的优异性能而得到广泛的应用，是在生产实践中值得注意的一种传感器。
光纤传感器凭借着其大量的优点已经成为传感器家族的后起之秀，并且在各种不同的测量中发挥着自己独到的作用，成为传感器家族中不可缺少的一员。 
应用
绝缘于污秽、磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流，光纤传感器可用于位移、震动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、PH值和应变等物理量的测量。光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济和国防上所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面的应用：
城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中，用于测试应力松弛、施工应力和动荷载应力，从而评估桥梁短期施工阶段和长期营运状态的结构性能。
在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等，由于电类传感器易受电磁场的干扰，无法在这类场合中使用，只能用光纤传感器。分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术，分布式光纤温度传感系统不仅具有普遍光纤传感器的优点，还具有对光纤沿线各点的温度的分布传感能力，利用这种特点我们可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点温度，定位精度可达米的量级，测量精度可达1度的水平，非常适用大范围交点测温的应用场合。
此外，光纤传感器还可以应用于铁路监控、火箭推进系统以及油井检测等方面。
光纤同时具备宽带、大容量、远距离传输和可实现多参数、分布式、低能耗传感的显著优点。光纤传感可以不断汲取光纤通信的新技术、新器件，各种光纤传感器有望在物联网中得到广泛应用。 
案例
土木工程领域
随着光纤传感器技术的发展，在土木工程领域光纤传感器得到了广泛的应用，用来测量混凝土结构变形及内部应力，检测大型结构、桥梁健康状况等，其中最主要的都是将光纤传感器作为一种新型的应变传感器使用。
光纤传感器可以黏贴在结构物表面用于测量，同时也可以通过预埋实现结构物内部物理量的测量。利用预先埋入的光纤传感器，可以对混凝土结构内部损伤过程中内部应变的测量，再根据荷载－应变关系曲线斜率，可确定结构内部损伤的形成和扩展方式。通过混凝土实验表明，光纤测试的载荷－应变曲线比应变片测试的线性度高。 
检测技术
光纤传感器在航天（飞机及航天器各部位压力测量、温度测量、陀螺等）、航海（声纳等）、石油开采（液面高度、流量测量、二相流中空隙度的测量）、电力传输（高压输电网的电流测量、电压测量）、核工业（放射剂量测量、原子能发电站泄露剂量监测）、医疗（血液流速测量、血压及心音测量）、科学研究（地球自转）等众多领域都得到了广泛应用。 
石油工业
在石油测井技术中，可以利用光纤传感器实现井下石油流量、温度、压力和含水率等物理量的测量。较成熟的应用是采用非本征光纤F—P腔传感器测量井下的压力和温度。非本征光纤F-P腔传感器利用光的多光束干涉原理，当被测的温度或者压力发生变化时干涉条纹改变，光纤F—P腔的腔长也随之发生变化，通过计算腔长的变化实现温度和压力的测量。 
温度测量
光纤传感技术是伴随光通信的迅速发展而形成的新技术。在光通信系统中，光纤是光波信号长距离传输的媒质。当光波在光纤中传输时，表征光波的相位、频率、振幅、偏振态等特征参量，会因温度、压力、磁场、电场等外界因素的作用而发生变化，故可以将光纤用作传感器元件，探测导致光波信号变化的各种物理量的大小，这就是光纤传感器。利用外界因素引起光纤相位变化来探测物理量的装置，称为相位调制传感型光纤传感器，其他还有振幅调制传感型、偏振态调制型、传光型等各种光纤传感器。 
杨氏模量
采用传感器测量仪代替光杠杆镜尺组组成新的杨氏模量测量系统，不仅操作简短，而且提高了测量结果的精确度和准确度。金属丝传统的拉伸法的基本原理是将金属丝受到砍码的作用力后的微小伸长形变量通过镜尺组的光路转换而将之放大若干倍数，从而得到微小伸长，再通过计算得到杨氏模量值。
而自从有了传感器，我们把光纤传感器测量新方法和上述方法对比，光纤传感器的测量在灵敏度、精确度及准确度上都有提高。红外光测距系统测量的基本原理为采用红外光光纤传感器直接测量微小位移，红外光光纤传感器对于3mm以内的微小距离测量的线性度是非常高的。系统由传感器测量仪与反射式光纤位移传感器组成．
反射式光纤位移传感器的工作原理是采用两束多模光纤，一端合并组成光纤探头，另一端分为两束，分别作为接收光纤和光源光纤。当光发射器发生的红外光，经光源光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤，传至光电转换元件将接收到的光信号转换为电信号。其输出的光强与反射体距光纤探头的距离之间存在一定的函数关系，所以可通过对光强的检测得到位移量。在杨氏模量仪的金属丝处的圆柱体上利用磁铁固定镀镍反射金属片，使其能随钢丝伸长而移动。在支架台上固定红外传感器，而后在传感器测量仪上通过改变位移将实验得到的电势差值，通过多次测试，既转动传感器测量仪自带的螟旋测微仪，也即改变探头与金属片的距离和位置，当出现实验记录的钢丝仲长所对应的电势差值时，记录此时的螺旋测微仪读数。测试表明采用红外光测距此方法操作简单。只需将探头和反射片安装好后就可以直接开始在托盘上加法码实际测量了，侧量的结果是明显优于传统测试。 
环境分析
随着中国工业自动化应用环境的不断发展，仪器仪表行业日新月异，当前仪器仪表行业面临新的发展，这一行业的十二五规划(草案)，也根据新时期的要求，提出了重点发展的若干关键技术，这对行业未来发展无疑有着重要的指导意义。
新型传感器技术包括固态硅传感器技术、光纤传感技术、生物芯片技术、基因芯片技术、图像传感器技术、全固态惯性传感器技术等。“十二五”将以智能传感器作为重点，进行关键技术攻关。在光纤传感领域，重点发展新原理、新效应的传感技术，传感器智能技术，传感器网络技术，微型化和低功耗技术以及传感器阵列及多功能多参数设计、制造和封装技术。
目前有数百个单位在这一领域开展工作，如清华大学、复旦大学、天津大学、重庆大学、北京航空航天大学等，他们在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计等领域进行了大量研究。此外，在武汉、上海、广东、深圳等地，还建立了许多光纤无源器件生产厂家，市场规模达到1200亿元以上。
(一)影响行业发展的有利因素分析
国家科委于1987年4月制定的《传感器发展政策》白皮书确定了必须大力发展传感器技术，特别是要把新型传感器技术作为优先领域予以发展。1991年 12月30日《中共中央关于制定国民经济和社会发展的十年规划和八五计划的建议》中第21条明确了要大力加强传感器的开发和在国民经济中的普遍应用。
(二)影响行业发展的不利因素分析
虽然光纤传感器技术在实际检测中取得了一些应用，但仍存在一些问题，如光纤埋入结构的工艺问题，虽然可以通过安装方式得到改善，但同时也导致了应变要先经过金属传递，然后再由光纤间接感应到应变，因此需要通过实验修正才能够进行准确测量。同时光纤传感器的输出信号会受到光源波动、光纤传输损耗变化、探测器老化等因素的影响，这些因素都会降低光纤传感器测量的准确性。再者目前光纤传感器实用性还有待开发，同时其制作成本相当昂贵。目前光纤传感器很大一部分产品还在实验室阶段，因此需要将实验结果尽快投入到使用中去。
随着市场逐渐开放和中国投资环境的改善以及全球化经济的进程加速，各国传感器厂家纷纷进入中国市场，这加剧了市场的竞争。中国本土传感器技术水平与世界水平相比仍存在很大差距，这种差距一方面表现为传感器在感知信息方面的落后，另一方面则表现为传感器自身在智能化和网络化方面的技术落后。国产企业形成了“外强中干”的局面，不仅失去了中高端产品市场，而且直接导致自己能生产的产品品种单一，同质化严重，国产传感器价格优势明显，但质量上与国外产品相比仍存在一定差距，一般应用在对信号要求不高的区域。 
行业分析
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。
由于在传统终端市场的应用可能性扩大以及新应用领域的新兴机会所推动，2013年全球光纤传感器市场规模为18.9亿美元。据世界知名调研公司ElectroniCast发布的全球光纤传感器市场预测数据显示，到2026年全球光纤传感器（包括点式和分布式）消费值将达到59.8亿美元（折合约391.57亿人民币）。 
传统终端市场包括航空航天、国防、石油天然气开采、基础设施发展和电信行业。传统终端市场的发展将继续推进全球光纤传感器市场的增长。通信行业从3G到4G网络的持续过渡、关注智能结构的增长、基础设施建设的新兴增长、石油天然气领域的发展都为市场增长提供了重要机遇。
尤其是在新兴市场中，如中国和印度，增长的制造活动、上升的汽车需求、稳定的基础设施建设活动以及国防支出的增加，都成为全球光纤传感器行业发展的驱动因素。 
组成结构
光纤传感器网的三种基本构成。
光纤传感器网有三种基本构成，其中一个叫单点式传感器。一根光纤在这里仅仅起到传输的作用，另外一种叫多点式传感器，在这里一根光纤把很多传感器串起来，这样很多传感器可以共用光源实现网络性监测。再有就是智能光纤传感器。
多点式光纤传感器，从外表看就是一节光栅，通过紫外线照射发现有周期性的间隔。当有光纤入射的时候，如果光纤的波长正好等于间隔的两倍，那么这个光波将会受到强烈的反射，而如果光纤受到温度变化或者应变等等，这个反射波长将会发生变化，这种传感器在一根光纤上可以做很多个，把它连接起来就可以用于各种各样的传感应用。
因为光纤是软的，它可以两维、三维，所以横轴是空间的位置，纵轴是测量对象。这样一个传感网解决了什么问题呢?它解决了在什么位置上发生了什么事情，那个事情有多少个强度的问题，也就是提供了两维的信息。这就是智能光纤传感器所需要解决的问题，它有非常突出的特点要求，包括体积小、强度高、稳定性好，可植入材料中。抗电磁干扰、耐环境。 
光纤传感器已经成功应用于飞机结构监测。我们看到A-380和波音787，它们的特点是超过一半数量是碳纤维，比如说碳纤维符合树脂有几种缺失，一个是层与层之间的剥离，由于这种材料比较强，所以很难像铝合金材料那样实行碳酸检测，所以研究人员现在开始研究把光纤传感器埋到复合材料当中去，由于这种材料一层大概125微米的厚度，所以这种光纤传感器必须是特别细小的光纤传感器，大概直径在50个微米左右。
我们说光纤传感器网可以成为安全安心社会的神经网。光纤传感器网可以用于光纤通讯网的诊断技术。光纤传感器网在安防方面已经有很多的应用，国内有很多企业在这方面开展了卓有成效的工作。 
发展前景
光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测的光信号的传感器。光纤传感器的工作原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制器，在调制器内与外界被测参数的相互作用， 使光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件、经解调器后获得被测参数。整个过程中，光束经由光纤导入，通过调制器后再射出，其中光纤的作用首先是传输光束，其次是起到光调制器的作用。
目前，我国已成为全球光纤传感器消费最大国，在国产化进程有一定的突破。以南京大学、深圳中科传感为代表的大学及研究院等机构，基本掌握了全套的光纤传感器方案。而在光纤传感系统的核心部件上，厦门彼格的窄带光源、世维通的铌酸锂波导等为代表相关的器件，都不甘落后争相实现自主研发。
纵观整个行业市场，目前中国光纤传感器的自主研发仍是短板，总体市场化水平仍落后外国。据统计，中国传感器新品研制率落后美日等国近10年，产业化水平落后10到15年。未来，中国光纤传感市场产业化格局有待提升，物联网技术的加持，将推动中国光纤传感市场走向新一轮发展高峰。
但是在国内传感器没有进入“重点领域、重点行业、重大工程”，没有进入国民经济主战场。传感器作为信息技术三大支柱之一，并未受到像集成电路和计算机那样重视，也未享受同样的政策。即使在基础元器件中，其重要性也排在机械元器件之后，原因是对传感器的重要性认识偏颇。近十年来虽然对传感器的发展提出了一系列政策，但是都是作为主项目的子项目立项，依附于物联网、智能制造、仪表仪器等，从未作为国家项目单独立项。国家对传感器的投资力度还是不够的。 

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