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国外光纤传感器发展与应用分析

发布时间:2017-12-13  来源:立鼎产业研究网  点击量: 3389 

——国外光纤传感器发展与应用分析

一、国外传感用特殊光纤的发展动态

干涉型光纤传感器

当环境介质的折射率发生变化(如振动或温度变化等引起),传感光纤经过此处时的光波相位会发生变化。对传感光纤中的相干光进行相位调制,检测段处就可以观察到外界环境变化带来的干涉结果的变化,这就是干涉型光纤传感器的工作原理。目前最常用的干涉型光纤传感器有:迈克尔逊(Michelson)干涉型光纤传感器、马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉型光纤传感器、法布里-珀罗(Fabry-Perot干涉型光纤传感器、萨格纳克(Sagnac)干涉型光纤传感器。

与传统光纤干涉仪传感器相比,全光纤M-Z 干涉仪传感器的结构更为简单。在同一根光纤上制作两个相隔一定距离的光纤结构,使不同模式之间形成干涉,构成光纤内的M-Z 干涉仪,因不需要耦合器,具有制作简单,成本低,尺寸小,灵敏度和稳定性高等显著的优点。2013 年,Hu Liang 等人将一段液体填充的光子晶体光纤熔接到单模光纤上,构成了一种M-Z 干涉仪,其温度和力传感的灵敏度分别为16.49nm/°C -14.595nm/N2014 Wen-Hui Ding 等人通过在单模光纤尾端熔接一小段光子晶体光纤,制成一种光纤F-P 型温度传感器,在25 300°C 范围内温度响应灵敏度达到-0.011nm/°C

光纤光栅传感器

根据光纤光栅周期的长短,将光栅分为光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅。光纤布拉格光栅的光谱是向前传输的光与反射回来的光,即传输方向相反的模式之间发生耦合。长周期光纤光栅的光谱是同向传输的纤芯基模与包层中的高阶模之间的耦合,因而也叫透射光栅。光纤光栅的布拉格波长可以表示为,有效折射率neff和栅格周期撰受温度和应变的影响,布拉格波长会随温度姿Beagg=2neff撰和应变的变化产生漂移,这就是光纤光栅传感器的原理。

2010 年,Yan Feng 等人制作了光纤光栅温度传感器,实验表明在35 95°C 的温度段,温度响应灵敏度为0.02nm/°C2013 年,XinpuZhang 等人利用多模光纤光栅多峰的特点,解决了在光纤传感领域一直困扰大家的温度、折射率等多物理量的交叉敏感问题。

光纤SPR 传感器

光纤表面等离子体共振(SurfacePlasmon ResonanceSPR)传感器是一种将光纤作为激发SPR效应基体的新型传感器。传统光纤SPR传感方式主要有在线传输式和终端反射式,光纤传输模式的能量基本集中在纤芯区域,为保证SPR 效应的产生,无论采用哪种方式,都需要去除其部分包层,在纤芯表面镀上金属薄膜。利用光在纤芯-包层界面发生全内反射时产生的SPR效应,通过传输损耗谱的峰值变化来分析待测样品的参数变化。

20 世纪90 年代,新型光子晶体光纤(Photonic Crystal FiberPCF)开始进入科研人员的视野。2006年,Hassani 等人提出了两种基于PCF SPR 传感器,在PCF 的第二层空气孔内壁镀上金属膜。空气孔中填充的待测液体与金属膜激发的表面等离子体模式发生耦合,仿真结果表明这种传感器的分辨率能达到10-4RIU

二、发展与应用现状分析

光纤传感器在测量金属丝杨氏模量方面的应用

金属丝的杨氏模量是衡量金属丝的性能的重要依据,因此,必须用更加准确地方法测量金属丝的杨氏模量。而使用光纤传感器测量仪测量杨氏模量不仅操作简单,而且其结果的准确性、可靠性大大提高。传统的测量方法是拉伸法,其基本原理是使金属丝受到砍码的作用力,这时金属丝会发生微小的形变,然后在镜尺组的光路转换中将这个微小的形变放大几倍,最后计算出杨氏模量。而应用了光纤传感器的红外光测距仪测量的灵敏度、精确度、准确度都有很大的提高,红外线测量仪可以用来直接测量3 毫米以内的微小形变,而且几乎没有误差。另一种反射式光纤位移传感器也是用来测量杨氏模量的仪器,它采用两束多模光纤,一端合并组成光纤探头,另一端分为两束,分别是光源光纤和接受光纤。在测量时,将传感器固定在支架上,而后通过改

变杨氏模量仪上的金属丝位置,使仪表的电势差发生变化,多次测量后,通过计算得出杨氏模量。

光纤传感器在温度测量方面的应用

我们都知道光纤传感器是根据光在光导纤维中传播而传递信息进行测量的,而光在光导纤维中传播时,光的光强,波长,频率等,物理量都会受到外界温度、电磁波、电磁场的影响,会产生一定的变化,而光纤传感器在测量温度方面的应用正是利用了这一微小的变化。利用温度引起的光纤相位变化来反映温度的变化,这种测温仪器被称为调制传感型光纤测温仪,此外,还有根据光的振幅变化、偏振态变化等原理做成的温度测量装置,而这些装置同样稍加改造,就可以用来测量其他方面的物理量。

光纤传感器在土木工程领域的应用

光纤传感器在土木工程领域也得到了广泛应用。在土木工程领域,光纤传感器多用来测量大型的结构、桥梁的安全性能、混凝土结构变形及内部的应力等等,最重要的是光纤传感器作为一种新型的应变传感器而发挥出巨大的作用。光纤传感器与普通传感器相比一般来说更加小巧,因此可以深入混凝土的损伤裂缝中进行测量,以确定混凝土内部损伤的形式及扩展方式;光纤传感器质量比较轻,能够倒置粘贴在天花板,或野外的树枝及山洞壁上,可以从各种不同的角度进行测量;土木工程领域一般所需要的数据都比较精确,光纤传感器恰好满足这一条件,据调查,使用光纤传感器所测出的数据更加符合标准,能为土木工程的施工建设提供详细准确的数据参考。

三、发展与应用趋势分析

在互联网发展迅速的今天,人们更加喜欢通过无线传输数据,来控制物体或机械,因此,一个新的概念便产生了,那就是物联网。而光纤传感器使得物联网的发展更加快速,因为光纤传感器的灵敏度高,准确性高,适应性强等特点可以使物联网运行更加准确,反应更加快速。人们如今在研发当中的全智能机器人更是离不开光纤传感器的作用,机器人的各种感知能力都依赖于光纤传感器所感知的信号,光纤传感器就是机器人的眼睛、鼻子和耳朵。除此之外,光纤传感器在国防安全方面也发挥着巨大的作用,在一些危险的核试验基地、核电站或者边境线等环境恶劣的地方,基础设施比较差,甚至不能在野外供电,因此需要一款室外无源监控系统,而光纤传感器正是这一系统的主要部件,可以在不供电的情况下提供有效的安全监控。

四、全球主要的光纤传感器厂家分析

目前全球主要的光纤传感器厂家有:AgilentAvantes B.VBaumer Electric AGBlue Road ResearchDavidson InstrumentsEXFOFiber Optic Systems FISO Halliburton Highwave Optical Hitachi CableHoneywell Sensing and ControlKVH Micron OpticsNxtPhase T&D O/E LANDOcean OpticsPhotonics LaboratoriesPrime PhotonicsSabeus Sensor SystemsSensornetSchlumbergerTubel Weatherford International.等。

目前单独的光纤传感厂家销售额并不高,比如LUNA是纳斯达克上市公司,包括光纤传感系统在内的全产品线2015-2016年季度销售额不过千万美元上下。由于包括石油,国防等领域多为专有市场,比如石油工业的斯伦贝谢(Schlumberger),贝克休斯(Baker Huges 收购LUNA的管道监测系统)这样的综合技术服务商是主要方案提供商,留给独立光纤传感产品开发商的机会并不很大。这个领域需要进一步的市场整合。

——光纤传感器重点国家及地区研发动态

一、美国

1、是研究光纤传感器起步最早,水平最高的国家,在军事和民用领域的应用方面,其进展都十分迅速。在军事应用方面,他们研究和开发主要包括:水下探测的光纤传感器、用于航空监测的光纤传感器、光纤陀螺、用于核辐射检测的光纤传感器等。这些研究都分别由美国空军、海军、陆军和国家宇航局(NASA)的有关部门负责,并得到许多大公司的资助。

美国也是最早将光纤传感器用于民用领域的国家。如运用光纤传感器监测电力系统的电流、电压、温度等重要参数,监测桥梁和重要建筑物的应力变化,检测肉类和食品的细菌和病毒等。美国的很多大学、研究单位和公司都开展了光纤传感器的研究和开发。目前美国光纤传感器的研究开发重点己向民用领域转移,民用光纤传感器的产量已大大超过军用传感器。

2、研究动态

1)美国海军研究所研制的全光纤陀螺,其漂移率为0.005°/h,惯导装置水平即角速度极限(短期分辨率)已达到5.3×107 rad/s,现在惯导的高性能精密FOG(漂移率为0.001°/h)已进入实用化。

2)美国休斯公司研制的微弯光纤水听器最小可探测压力为6×106 Pa,用它来测量那些能发现潜艇存在的辐射噪声源,这在反潜战中起到极其重要的作用。

二、日本

180年代制定了“光控系统应用计划”,计划旨在将光纤传感器用于大型电厂,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。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,其数据更新周期在1/秒以下。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。

2、研究动态

1)在日本,富士通完成了对采用基于光纤的多点传感器的实时温度分布可视化系统的实验测试。目前该技术由单一光纤组成的传感器安装在各个服务器机架的前面和后面、机房顶部和数据中心的楼层上,用来采集空调系统电力能耗。

2)来自东京工业大学和日本学术振兴会的研究团队开发出了一种用于应力和温度测量的实时光纤分布式传感系统。该系统仅需要从光纤的一端注入光即可,并且能实现100kHz的采样速率,相当于将传统速率提高了5000倍。

生基础建筑的老化降解和地震破坏对社会而言是一个严重的问题。光纤传感是一项极具前景,可用于监测结构状况的技术。将长光纤嵌入到结构内部,就可以检测到结构内部沿光纤周围的应力和温度分布。在各种类型的光纤传感器中,基于布里渊散射的分布式应力和温度传感器颇受青睐,因为它们有较高的灵敏度和稳定性。尤其是布里渊光相关域反射(Brillouin opticalcorrelation-domain reflectometry, 以下简称BOCDR)分布式光纤,其运行主要基于连续光波的关联控制,BOCDR作为单端接入分布式传感技术,具有很高的空间分辨率< 1 cm)。然而,BOCDR的最高采样速率为19 Hz,导致分布式测量总时间相对较长(从几十秒到几分钟)。为了解决这个缺点,最近,来自东京工业大学的研究员Yosuke MizunoKentaro Nakamura,以及来自日本学术振兴会的Neisei Hayashi(毕业于东京大学)共同合作,成功地将BOCDR的采样速率提高到100kHz,对比此前速率,相当于提高了5000倍,真正实现了实时分布式测量。相关研究成果发表于201612月的《光:科学与应用》(LightScience & Applications)上。

三、西欧

1、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、研究动态

1)德国光纤陀螺仪的研究规模和水平仅次于美国而居世界第二位。目前国外光纤陀螺在长寿命和高精度方面水平较高,其零偏稳定性已达0.0003°/h,寿命达到15年。

2)为了修复老化的基础设施,监测现有的桥梁、大坝及其他大型建筑,分布式光纤传感器需要一种新型光源以监测建筑承受的应力和温度变化。然而,这种常见的光纤传感器——基于受激布里渊散射(SBS)的非线性光学现象——受到难以克服的空间范围和分辨率的限制。目前,西班牙和瑞士的研究人员已经解决了这些困难,他们研究出了一种在较短的时间内能够在10公里的范围内,厘米级的空间分辨率下检测出百万分之一的温度或应力变化的方法。该团队认为,该方案的分辨率之高使其能够在长距离的基础设施监控和更精密的生物医学环境中找到用武之地。

3)基于光纤布拉格光栅(FBG)的光纤传感器是最早应用于土工织物的传感器。但是基于FBG的光纤传感器监测系统只能测量有限长度的准分布应变,且成本较高,不能满足长达几百米的堤坝、水坝、铁路、堤防或斜坡等岩土结构的监测需求。为了满足大面积岩土结构监测的需求,一种基于受激布里渊散射(SBS)的布里渊光频域分析(BOFDA)技术分布式光纤传感器应运而生。迄今为止,该技术仍是分布式监测岩土结构机械变形(应变)的最佳解决方案之一。

为了保证光纤传感器测量精度,光纤传感器稳定、无损伤地与土工布集成至关重要。德国开姆尼斯萨克森纺织研究所(STFI)和德国Fiberware公司为此均展开了相关研究并取得了技术突破。另外,通过对BOFDA监测系统进一步优化,安装于波兰Solina的重力坝的光纤传感器集成智能土工织物已经证实可以应用于距离达10km的空间,并能以5m的分辨率监测机械变形。

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