本军备道了光纤传感器国表里成长的近况。重要介绍了两方面的情况：光纤传感器道理性研究的成长近况和光纤传感器产品的应用与开辟的近况。前者报道了光纤光栅、分布式光纤传感技巧以及光纤传感网的成长，这些是今朝的研究热点；后者介绍了光层析成像技巧、智能材料、光纤陀螺及惯性导航体系、工业工程类传感器（个中包含电力工业用高电压、大年夜电传播感器，应用光纤的弹光效应和FBG器件的应力传感器等）。最后介绍了新型光纤材料与器件、氟化物玻璃光纤，碳涂覆光纤、以及正在研究中的蜂窝型波导光纤、液晶光纤等。

一、引言

2、智能材料

跟着密集波分复竽暌姑DWDM技巧、掺铒光纤放大年夜器EDFA技巧和光时分复竽暌姑OTDR技巧的成长和成熟，光纤通信技巧正向着超高速、安闲量通信体系的偏向成长，并且慢慢向全光收集演进。在光通信迅猛成长的带动下，光纤传感器作为传感器家族中年青的一员，以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面环球无双的优势，已敏捷成长为年成交额跨越10亿美金，并估计将于2010年拥有跨越50亿美金市场的家当。每年由美国光学工程师学会(OSA)主办的光纤传感国际会议（OFS）及时报道着光纤传感范畴的最新进展，并对光纤传感及其响应技巧进行有益的研究。

当前，世界上光纤传感范畴的成长可分为两大年夜偏向：道理性研究与应用开辟。跟着光纤技巧的日趋成熟，对光纤传感器实用化的开辟成为全部范畴成长的热点和关键。因为光纤传感技巧并未如光纤通信技巧那样敏捷地获得家当化，很多关键技巧仍然逗留在实验室样机阶段，距贸易化有必定的距离，是以光纤传感技巧的道理性研究仍处于相当重要的地位。因为很多光纤传感器的开辟是以代替当前已相当成熟，靠得住性和成本已获得公认，并已经被广泛采取的传统机电传感体系为目标，所以尽管这些光纤传感器具有如电磁绝缘、高灵敏度、易复竽暌姑等诸多优势，其市场渗入渗出所面对的艰苦和挑衅是可想而知的。而那些具有前所未竽暌剐全新功能的光纤传感器则在竞争中占领明显优势，FBG和其它的光栅类传感器就是一个最好的例证。当前的道理性研究热点集中于光纤光栅（FBG和LPG）型传感苹赝分布式光纤传感系统两大年夜板块。

FBG型光纤传感器自创造之日起，已走过了道理性研究和实验论证的百家争鸣阶段。今朝成熟的FBG制造工艺已可形成小批量临盆才能，而研究的核心也转向解决高精度应用，完美解调和复竽暌姑技巧，以及降低成本等几个偏向上。另一方面，因为光纤传感器具有将传输与传感媒质合而为一的特点，使灯揭捉布设路径上的光纤可全部成为敏感元件，是以，分布式传感成为光纤传感器与生俱来的长处。

4、工业工程类传感器
活着界范围内，因为对工平易近建和工业举措措施安然性和效益请求的赓续进步，对集成的安然检测体系的需求慢慢攀升。具备可持续、无间断、长距离测量并与被测量介质有极强的亲和性的分布式光纤传感体系似乎恰是为此而量身定做的。分布式光纤传感体系平日有三种类型：拉曼型、布里渊型和FBG型。


对于光纤传感技巧的应悠揭捉究重要有以下四大年夜类：光（纤）层析成像技巧（OCT，OPT）、智能材料（SMART MATERIALS）、光纤陀螺与惯导体系（IFOG，IMIU ）和惯例工业工程传感器。别的，因为光纤通信市场需求的带动以及传感技巧的特别请求，新型器件和特种光纤的研究结不雅也层出不穷。

今朝，我国的光纤传感器研究大年夜多半集中于大年夜专院校和科研单位，仍然未完成由实验室向产品化的过渡。个中，比较成熟的技巧包含：清华大年夜学光纤传感中间与总后合作研制开辟的光纤油罐液位与温度测量体系，已经安装运行数年；北京航空航天大年夜学与总装合作研制的光纤陀螺体系，今朝指标为0.2°/hr ； 中国计量学院研制的分布式光纤传感体系，已有产品报道；华中理工大年夜学与广东某公司结合研制的强电压、大年夜电传播感体系。此外，在广东、深圳等地，还建立了很多光纤无源器件临盆厂家。因为光纤传感器未能跨越产品化的门槛，并未象光纤通信家当那样成指数型增长，很多与我们日常生活密切相干的传感器产品（如交通治理、戒备装配等）和大年夜量的测试仪器依然依附于进口，亟待成长的空间异常广阔。

二、光纤传感器的道理性研究

1、光纤布拉格光栅

光纤布拉格光栅FBG于1978年问世[1]，这种简单的固有传感元件，可应用硅光纤的紫外光敏性写入光纤芯内，图1描述了光纤光栅的基来源基本理。常见的FBG传感器经由过程测量布拉格波长的漂移实现对被测量的检测，光栅布拉格波长(λB)前提可以由式（1）表示：

式中，∧—光栅周期；
n—折射率。

当宽谱光源入射到光狭闼楝光栅将反射个中以布拉格波长lB为中间波长的┞翻谱分量。在透射谱中，这一部分分量将消掉，lB随应力与温度的漂移为 [2]：

（2）

个中，ε—外加应力；
Pi,j—光纤的光弹张量系数；
ν—泊松比；
α—光纤材料（如石英）的热膨胀系数；
△F—温度变更量。

而OPT则面向工业工程－油井、管线等场合，高精度地解决流体的过程测量问题。因为OPT所关怀的是光线路径上的积分过程，是以相干的体系集成设计、测量理论分析中的单位瓜分与旌旗灯号处理都是关键。图12简单描述了传统OPT的测量道理，因为OPT具有实用于狭小的或不规矩的空间、安然性高、测量区域不受电磁干扰以及可构成测量收集的多项长处，为工业过程的安然测量供给了一种优良的手段。
上式中： 因子典范值为0.22。是以，可以推导出在常平和常应力前提下的FBG应力和温度响应前提如式下：

1pm的波长分辨率大年夜致对应于1.3mm处0.1℃或1me的温度和应力测量精度。

光纤光栅除了具备光纤传感器的全部长处之外，还拥有自定标和易于在同一根光纤内集成多个传感器复竽暌姑的特点。图2是光纤光栅传感器在一根光纤内实现多点测量的例子[3]。

光栅传感器可拓展的应用范畴有很多，如将分布式光纤光栅传感器嵌入资估中形成智能材料，可对大年夜型构件的载荷、应力、温度和振动等参数进行及时安然监测；光栅也可以代替其它类型构造的光纤传感器，用于化学、压力和加快度传感中。

图3为传统阻抗计与FBG传感器测试结不雅的比较。美国的MICRON-OPTICS公司所研制的FBG应用体系Si425[9] (见图4)，可同时测量多达4路512个FBG传感器，扫描范围50nm、分辨率1pm、测量频率可达244Hz。

长周期光栅是指周期大年夜于100mm的光栅，也是继FBG之后光纤光栅型传感器的另一个重要分支。因为测量应用包层膜耦合的道理，使其同时具备灵敏度优良和制造简便的优势。图5是长周期光栅的透射谱。光纤光栅的其它分支还包含啁啾光栅、斜光栅等[2]，它们也已付诸应悠揭捉究[6]。

2、分布式光纤传感体系


拉曼型分布式光纤传感体系是基于光鲜攀拉曼散射效应的持续型传感器，其工作道理见图6。三种类型的传感体系的应用都已见诸于报道。个中尤以拉曼型分布式传感体系最为成熟，已成功地装载于A340运输机上（图7）。

FBG型分布式传感体系在应力多点分布式测量中有独到的长处，并可同时完成温度和应力的双参量测量[5]，为FBG应用开辟了更为广阔的前景。图8介绍了采取WDM/TDM解调的FBG阵列的拓扑构造[4]。

三、光纤传感器产品的应用与开辟
光纤传感器的应用开辟根据当前的应用热点范畴和技巧类许可大年夜致分为四个大年夜的偏向：光（纤）层析成像分析技巧OCT、光纤智能材料（SMART MATERIAL）、光纤陀螺与惯导体系、以及惯例工业工程传感器。2002年是光纤陀螺（I-FOG）出生的25周年，在第15届OFS年会上，特别为光纤陀螺开辟了专题会场。

1、光层析成像技巧

光纤层析成像分析技巧大年夜鼓起到应用不过只有二、三十年的时光，根据不合的道理和应用处合，可将光纤层析技巧分为光相干层析成像分析(OCT)和光过程层析成像分析技巧(OPT)。
光层析成像技巧源竽暌冠X射线层析成像分析（CT），其基来源基本理如图9所示。当X射线或光线传输经由被测样品时，不合的样品材料对射线的接收特点有不合，是以对经由样品的射线或光线进行测量、分析，并根据预定的拓扑构造和设计进行解算就可以获得所须要的样品参数。

光纤相干层析成像技巧（OCT）重要应用于生物、医学、化学分析等范畴，如视网膜扫描、胃肠内视和用于实现彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。其工作道理基于光的相干检测道理，根本体系构造如图10所示。

OCT为生物细胞和机体的活性检测供给了一种有效的方法，世界上有很多国度都开辟出响应的产品。图11为视网膜的CT扫描图像。德国的科学家近期推出了一台可用作皮肤癌诊断的OCT设备。此外，应用OCT可以实现深度测量（~1mm）的优势，已有实例应用于对发展中的细胞进行不雅察和监估中。

智能材料的提出和研究已有相当长的一段时光，为业内人士所熟悉。智能材料是指将敏感元件嵌入被测构件机体和资估中，大年夜而在构件或材料惯例工作的同时实现对其安然运转、故障等的及时｀控。个中，光纤和电导线与多种材料的有效结合是关键问题之一，尤其是实现与纺织材料的主动化编织。美国南卡罗来那州立大年夜学、佛吉尼亚理工大年夜学和费城纺织学院都在此方面进行了大年夜量工作。笔者曾介入由美国军方赞助的预研项目智能型士兵（SMART SOLDIER）和智能型降低伞（SMART PARACHUTE）的研究。图13展示了一件嵌入光纤和电导线的背心[7]。个中光纤和电导线的嵌入均已实现了主动化，为智能型服装的贸易化解决了又一难题。

智能材料作为桥梁、大年夜坝等混凝土大年夜型建筑的监测体系已在国外多处工程中经由过程安装测试并付诸应用。此外，智能材料在航空航天范畴的应用也日趋广泛，尤其是采取光纤光栅和光纤分布式应力、温度测量体系进行恶劣情况前提－高温、变形的多参量监测取得了明显的效不雅。图14勾画出分布式传感器在航天范畴多参量监估中的应用筹划。

3、光纤陀螺及惯性导航体系
光纤陀螺（I-FOG）及惯导体系历经25年的成长，今朝已进入实用阶段。

大年夜1976年Vali和Shorthill初次提出场实验验证I-FOG道理之后[2]的五年间，世界范围内的重要工作集中于根本构造的研究、构造小型化、开环和闭环构造的评论辩论等。图15显示出光纤陀螺的标准构造[10]。

大年夜1980到1990年的十年中，对体系误差因子和光纤器件的研究取得了明显的进展，新型的SLD光源、保偏光纤及耦合器的采取，以及特别的绕制技巧为陀螺的实用化铺平了门路。上世纪90年代，中级的I-FOG因为采取了消偏构造、3轴I-FOG、EDFA光源等新型光纤器件和技巧，实现了成本降低、体积减小和机能进步目标，并率先在航天及军事范畴获得应用。例如，美国Honeywell公司为美国军方制造的用于直升机的三轴惯导体系直径仅为86mm。国际上有些高机能光纤陀螺的漂移指标已达到0.001°/hr，很多产品已经投入平易近用飞机和汽车工业。将来光纤陀螺在工业范畴应用还有更广阔的寰宇。



传统的工业工程类传感器包含应用光纤的电光和磁光效应进行测量的电力工业用大年夜电压、电传播感器。图17为加拿大年夜BC水电站所安装NXVCT的┞氛片。

应用光纤的弹光效应和FBG器件的应力传感器已被广泛应用于应力监估中。图18中为法国Alstom 公司的铁路部 Transport S.A.引导研制的一种安装了FBG的智能型新型复合伙料的转向架[10] 。

在很多特别场合－核工业、化工和石油钻探中都应用了监测传感体系。图19是安装了嵌入式FBG温度传感器阵列的发电机定子。光纤传感器体系正日益走向成熟，并慢慢融入日常的临盆和生活之中。更多的应用和研究结不雅可参考OFS年会论文沃森WSEN集[10]，以及SPIE的相干专题会群情文。

以SiO2材料为主的光纤，工作在0.8μm～1.6μm的近红外波段，今朝所能达到的最低理论损耗在1550nm波长处为0.16dB／km，已接近石英光鲜攀理论上的最低损耗极限，成为知足超宽带宽、超低损耗、高码速通信须要新型基体材料的光纤。
氟化物玻璃光纤是当前研究最多的超低损耗远红外光纤，其最低损耗在2.5μm邻近为1×10-3dB／km，无中继距离可达到1×105km以上。硫化物玻璃光纤具有较宽的红外透明区域（1.2μm ~12μm），有利于多信道复竽暌姑，其温度对损耗的影响较小，其损耗程度在6μm波长处为0.2dB／km，是异常有前程的光纤。并且，硫化物玻璃光纤具有很大年夜的非线性系数，用它制造的非线性器件，可以有效地进步光开关的速度，使开关速度达到数百Gb／s以上。重金属氧化物玻璃光纤具有优良的化学稳定性和机械物理机能，若把卤化物玻璃与重金属氧化物玻璃的长处结合起来，制造成机能优良的卤-重金属氧化物玻璃光纤，将具有重要意义。



另一方面，光纤的构造决定了光纤的传输机能，合理的┞粉射率分布可以削减光的衰减和色散的产生，并增长光能量的传输。跟着光纤通信体系的敏捷成长，出现了DFF（色散平坦光纤）。为了DWDM体系可以或许在尽可能宽的可用波段长进行波分复竽暌姑，各个公司都致力于清除OH-接收峰，已开辟出的“无水峰光纤”，可实现1350nm～1450nm第五窗口的实际应用。美国Lucent公司开辟出的All Wave光纤，克服了OH-的谐波接收，大年夜而实现了1280nm～1625nm范围内完全波段的应用。为了适应相干通信体系的请求，已经研制出了“熊猫”型、“蝴蝶结”型和“扁平”型的高双折射保偏光纤，别的具有“边坑”型的单模单偏振保偏光纤，以及正在研究中的蜂窝型波导光纤[9]、液晶光纤（见图20）等等，这些都将为光纤传感器的成长供给加倍广泛的选择。

五、停止语

特别的应用情况对光纤有特别的请求，石英光纤的纤芯和包层材料具有很好的耐热性，耐热温度达到400℃～500℃，所以光纤的应用温度取决于光纤的涂覆材料。今朝，梯型硅氧烷聚合物（LSP）涂层的热固化温度达400℃以上，600℃时的光传输机能和机械机能仍然很好。采取冷的有机体在热的光纤外面进行非平均成核热化学反竽暌功绩HNTD），然后在光纤外面进行裂解生成碳黑，即碳涂覆光纤。碳涂覆光纤的外面致密性好，具有极低的扩散系数，并且可以清除光纤外面的微裂纹，解决了光纤的“疲惫”问题。
跟着光电子技巧近年来突飞大进的成长，光纤传感技巧经由二十余年的成长也已获得长足的进步，其重要表如今：

1、进入实用化阶段，慢慢形成传感范畴的一个新的分支

不少光纤传感器以其特有的长处，替代或更新了传统的测试体系，如光纤陀螺、光纤水听器、光纤电流电压传感器等；出现一些应用光纤传感技巧的新型测试体系，如分布式光纤测温体系，以光纤光栅为主的光纤智能构造；改革了传统的测试体系，如以光纤构成的新型光谱仪；应用电/光转换和光/电转换技巧以及光纤传输技巧，把传统的电子式测量仪表改革成安然靠得住的先辈光纤式仪表等等。


2、新的传感道理赓续出现，促进了科学技巧的成长

例如，光纤传感收集的出现，促进了智能材料和智能构造的成长；波长调制型光纤光栅多参量测试体系的出现，促进了多参量传感体系的成长；光子晶体光纤若干好多孔光纤Photonic Crystal fiber）用于传感的可能性促进了光子晶体的成长等等。

固然如斯，光纤传感技巧的近况仍然远远不克不及知足实际须要，还有很多有待研究的课题：

①传感器的实用化研究。进步传感体系，尤其是传感器的性价比；
图16是日本Mitsubishi Precision公司和空间及宇航所为日本M-V火箭体系设计制造的惯导体系。
②传感器的应悠揭捉究。在现有的科研结不雅基本上，大年夜力开展应悠揭捉究和应用结不雅宣传；
③新传感机理的研究，开辟新型光纤传感器；
④传感器用特别光纤材料和器件的研究。例如：增敏和去敏光纤、荧光光纤、电极化光纤的研究等。

光纤通信的迅猛成长带动新型光纤器件和材料的赓续出现，为光纤传感体系的开辟供给了须要的基本。新型材料光纤和新型构造光纤前景看好。
这一切都须要科研人员赓续的尽力。(end)