光纤传感器:光通讯下一个燎原之火


目前市场上尤其是在中国,布拉格光纤光栅(配备ASE宽带光源)和基于光时域反射的分布式传感器是应用最为广泛的光纤传感技术,该技术基本上可以满足中低端一般市场的需求而被业内人士所熟知。

而现在介绍的光谱线宽窄至2kHz的单频光纤激光器,及其引申出来的最新一代光传感技术完全有别于我们现在所乐道的光纤传感。

这种新的技术方案完全胜任电传感和一般光纤传感无法完成的高端市场对超远距离、超高精度和超高敏感的更高需求,而这在中国尚处于立项和预研阶段。

当前市场上几种主要的光纤传感器有:

1.光纤陀螺

光纤陀螺分干涉型、谐振型和布里渊型,干涉型光纤陀螺是第一代,技术上已经趋于成熟,正处于推进批量生产和商品化阶段;谐振型光纤陀螺是第二代,处于实验室研究向实用化推进的发展阶段;布里渊型是第三代,尚处于理论研究阶段。光纤陀螺结构根据所采用的光学元件有三种实现方法:小型分立元件系统、全光纤系统和集成光学元件系统。目前分立光学元件方案已经基本消失,全光纤系统用在开环低精度、低成本的光纤陀螺中,集成光学器件陀螺以工艺简单,总体重复性好、低成本成为国际中高精度光纤陀螺主要方案。

2.光纤水听器

光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器,它通过高灵敏度的光纤相干检测,将水声信号转换为光信号,并通过光纤传至信号处理系统转换为声信号信息。相比传统水听器具有灵敏度高、响应带宽宽、不受电磁干扰等特点,广泛用于军事和石油勘探、环境检测等领域,具有很大的发展潜力。

光纤水听器按原理可分为干涉型,强度型,光栅型等。干涉型光纤水听器关键技术已经逐步发展成熟,在部分领域形成产品;光纤光栅水听器则是当前研究热点。研究的关键技术涉及光源、光纤器件、探头技术、抗偏振衰落技术、抗相位衰落技术、信号处理技术、多路复用技术以及工程技术等。

3.光纤光栅传感器

光纤光栅传感器尤其是光纤Bragg光栅传感器是最近几年国内外传感器领域的研究热点。传统光纤传感器绝大部分属于光强型和干涉型,光强型传感器存在光源不稳定,光纤损耗和探测器老化等问题,干涉型传感器由于要求两路干涉光的光强相等需要固定参考点应用不便。

以光纤布拉格光栅为主的光纤光栅传感器传感信号为波长调制以及复用能力强,避免了上述传统光纤传感器存在的问题。在建筑健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等应用,光纤光栅传感器是最理想的灵敏元件。光纤光栅传感器在地球动力学、航天器、船舶航运、民用工程结构、电力工业、医药和化学传感中有广泛的应用。

4.光纤电流传感器

电力工业的迅猛发展带动电力传输系统容量不断增加,运行电压等级越来越高,不得不面临强大电流的测量问题。在高电压、大电流和强功率的电力系统中,以电磁感应为基础的传统电流传感器(简称CT)暴露出一系列严重缺点:爆炸引起灾难性事故;大故障电流引起铁芯磁饱和;铁芯共振效应;滞后效应;精度不高;易受干扰;体积大、重量大、价格昂贵等,已经难以满足新一代数字电力网的发展需要。光纤电流传感器成为解决上述难题的最好办法。

与传统传感技术相比,基于光纤的传感器主要有如下几大优势:

1.重量轻、结构紧凑、易多路复用

2.抗恶劣环境、抗电磁干扰、抗化学腐蚀

3.在传感点无需用电、可以长距离分布式传感

4.可低成本大规模生产

光纤传感器的可能发展趋势有:

1.以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象;

2.集成化光纤传感器;

3.多功能全光纤控制系统;

4.开辟新领域。

继光纤通讯后,光纤传感迎来了重要的发展契机,在安保、军事、石油/天然气、电力以及科学研究方面享有广泛而巨大的应用价值,尤其是在西方发达国家更有燎原之势,前途不可限量!采用单频光纤激光器做光传感,其光学原理就是光频时域反射。

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