学 生 姓 名： | 侯震 | 学 号： | 1205024128 |
学 院： | 信息与通信工程学院 | ||
专 业： | 光信息科学与技术 | ||
设计(论文) 题目： | |||
指导教师: | 安永泉 | ||
1．选题依据： | |
文 献 综 述 一、背景: 在现今时代，人们愈来愈希望能精确地把握自然界和社会范畴的各种信息，而传感器是人们获得这些信息的首要方法和手段。传感器是能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 光纤传感技术是跟着光通信技术的成长而一步一步构成的。在光通信系统中，光纤是被用作长距离传输光波信号的媒介。显然，在这类应用中，承担光纤传输任务的光信号易受外界干扰，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引起光波参数如光强、相位、频率、偏振态、波长(颜)等的变化，人们希望光信号受干扰非常小。因此，人们如果能够检测出光波的参数的变化，就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术[1]。 光纤传感技术的发展始于20世纪70年代，是光电技术发展最活跃的分支之一。由于光纤具有灵敏度高、抗电磁干扰、体积小、易成阵列等诸多特点。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，几乎在各个领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。 光纤传感器以其不同于传统电类传感器的独特优点，在工业生产和人们生活中发挥越来越大的作用。例如，在桥梁的安全检测过程中，人们一直以来以电检测方法为主，由于电磁干扰及潮湿侵蚀使得这种方法不能实现长期置放, 检测时需临时置放大量的传感器, 这样不仅需要大量的人力和物力, 而且需要经过专门训练的工程师。同时由于所测结果是瞬时的, 不能准确、准时地预报桥梁工作状态, 所以, 所得结果仍然不能满足安全的需要。光纤传感器由于体积小(直径仅为125μm , 作为光纤传感器的长度可短至几mm)、重量轻、不导电、反应快、抗腐蚀、不受电磁、射频及雷电流等干扰影响, 以及集传感与传输于一体的独特优点, 静态管理成为桥梁检测中的有效方法。 干涉型光纤传感器作为近年来光纤传感领域中最重要的研究类型之一,相比普通光纤传感器,具有极高的检测灵敏度、超大的动态范围和超宽的频率响应范围,因此受到极大关注。如今干涉型光纤传感器已广泛应用于结构健康监测、环境监测、生物、人体健康监测等领域中。近年来,由于纳米科技和集成工艺的发展,干涉型传感器开始往高精度、结构简单和微小尺寸等方向发展[2]。 光纤法布里-珀罗传感器作为光纤传感器应用的一个重要分支，Russell G．May和Anbo Wang等人从1999年开始，将非本征型光纤法-珀传感器应用于油井下温度和压力的测量研究中，展示出了该类传感器在油井应用中的广阔前景。基于非本征腔结构的光纤F-P传感器具有极小的温度和压力交叉敏感性，可长期工作在高温高压环境，工作温度在300℃以上，且具有测量响应快、可实时检测等优点，是石油勘探测量技术的最佳选择。光纤IFPI传感器具有较长的传感光纤段和较大的热光系数，使其对温度非常敏感。温度测量是光纤IFPI传感器最为典型的应用。光纤 FPI 还广泛应用于应变、温度、位移、压力、折射率、电压、电流、气体液体浓度等物理、化学量的检测[3-6]。光纤 FPI 用于土木建筑的应变监测。应变反映建筑的应力变化应，而应力反映建筑结构的受力情况，是诊断其是否破坏的关键性指标[7-10]。 二、理论概述: FP 型传感器的工作原理见图 1,光线在镀有部分反射膜的 P1和 P2两平行平面所组成的腔体内来回反射透射，在腔的两侧形成了多束相干光，该腔体称为FP 腔。 干涉谱的分布与光程差 l有关, 设 P1 和 P2之间的距离为 d，以反射光为例，光垂直入射时相邻两束反射光程差 l=2d 。根据多光束干涉理论，FP 传感器反射谱[27] 式中 ，λ为入射光波长；n0为腔内介质的折射率 , 一般腔内介质为空气，即： n0=1;R 为 P1和 P2 端面反射率。本系统的 FP 腔由石英玻璃膜与尾纤端面构成,PD发 射的声波作用在石英膜上 , 使得 FP 腔长随之变化 ,调制入射光波 。FP 传感器结构 见图 2 。 图 1 FP 型传感器工作原理示意图 图 2 FP 传感器结构 光纤FP传感器是从光学F—P干涉仪发展而来的，光纤既作为导光介质，同时也构成了FP干涉腔的两个平行反射面，无机械部件，具有结构紧凑，可靠性高，易于与光纤系统集成。 光纤F—P传感器在外界物理量，比如温度、压力、振动以及应变等的作用下，FP的腔长会相应的改变，导致光程差的变化，从而引起光在光纤中传播的性质(如强度、相位、波长)等发生变化，即影响输出光信号L。通过对FP干涉光谱的解调，可得到被测物理量的信息。目前对光纤FP传感器腔长的解调方法主要有强度解调、相位解调两大类。 三、国内外研究的现状: 1897 年，法国科学家珐布里和珀罗发明了基于两个反射面的多光束干涉原理的珐布里－珀罗干涉仪（Fabry-Perot interferometer, FPI）[11]。Fabry-Perot 干涉仪（FPI）由两个严格平行的反射镜和干涉腔（可以是空气或其他透明介质）组成，Fabry-Perot 干涉仪可以用作高精度的分光计，因此有时也被称为 Fabry-Perot 标准具。光纤 FPI 与传统 FPI 的结构原理基本一致。光纤 FP 传感器根据干涉腔结构可以分称两大类：本征型和非本征型光纤 FP 传感器。本征型光纤 FP 传感器（Intrinsic Fabry-Perot Interferometer，简称 IFPI）两反射面之间的干涉腔为单模光纤；传统本征型FFP 腔利用光纤熔接点构成反射端面[12-15]，光只在同一种光纤中传播。为了提高和控制谐振腔端面反射率，通常熔接之前在光纤端面镀膜，如采用TiO2 镀膜可以使界面反射率最大为32%。该类谐振腔的腔内损耗比前两种结构的损耗更小，因此可以搭建更长的腔提高探测灵敏度。H. F. Taylor 等人对该结构进行了较多的理论与实验研究，他采用低相干检测的可调谐Michelson 干涉仪解调两个频分复用的FFP 腔，温度和应力传感的探测精度分别为0.01oC 和0.07με[16]，并将该系统应用于检测铁路和桥梁状态的应力传感。虽然熔接点型的本征型FFP 腔制造非常方便、成本非常低廉，但随着FBG 的广泛应用，其在灵敏度、探测精度和复用能力上都无法与基于FBG 的FFP 腔相比，因此其相关研究较少。 而非本征型光纤 FPI 传感器（Extrinsic Fabry-Perot Interferometer，简称 EFPI）干涉腔由空气或其它非光纤的介质（如石英管）构成。1988 年，Lee 和yig滤波器 Taylor 发明了本征型光纤珐珀干涉仪[17]。1991 年，Murphy 等人发明了非本征型光纤珐珀干涉仪。上世纪 90 年代初期开始了对光纤 FPI 的商业开发，生产出多种实用光纤 FPI 传感器，并在此基础上进行了工程应用。当外界折射率、温度或者应力等参量改变空气腔长度或者端面反射率时，谐振腔的响应发生变化，通过测量光谱就可以实现相应物理量的传感。美国斯坦福大学是最早从事FFP 传感器研究的单位之一。美国弗吉尼亚学院王安波等人对非本征型FFP 传感器进行了大量研究工作，在石油、电力和生物医学等领域研究成果显著。2010 年，他采用兰宝石光纤构成的结构，实验研究了采用不同腔长实现频分复用的3 个温度传感器，测试结果表明温度探测灵敏度大于20nm/℃，精度优于0.3/℃，最高可测温度大于1000℃[18]。加拿大Roctest 公司将白光非本征型FFP 传感器应用于检测桥梁结构中应力、振动、结构损伤和裂缝程度等内部状态，其产品已用于我国三峡工程和二滩工程等大型水利的安全检测。国内先后有清华大学、天津大学、成都电子科技大学和重庆大学等多家单位对非本征型FFP 进行了基础研究。成都电子科技大学的饶云江带领的科研团队成果突出[19]，已将非本征型FFP 应力传感器系统应用于重庆长江大桥的状态检测[20]。 国外对于光纤传感器的实用化研究进展普遍比国内快，英国肯特大学开始研究光纤珐珀应变传感器较早的机构之一，取得了相当多的研究成果。1997 年，加拿大在重建 Sherbrooke 市内的 Joffre 大桥时，安装了多个 EFPI 传感器，EFPI 传感器被用于测量温度和应变，其中温度传感器用于监测混凝土凝固过程，应变传感器用于监测大桥的交通负荷。加拿大的菲索(Fiso)公司开发出了光纤 FP 应变测量仪并多次成功用于大坝的应变监测[21]。2000 年，美国 Luna Innovations 公司在密苏里大学的一座全复合材料公路桥上安装了 24 个光纤珐珀应变传感器和 1 个光纤珐珀温度传感器，并进行了动态应变测试实验，在路面铺设后，共有 14 个传感器存活[22]。 空气雾化喷嘴一些研究机构和公司已研制和开发了多种基于不同解调机理和用于多中物理量测量的光纤传感器系统，例如：加拿大的Roctest公司研制的白光法布里珀罗光纤传感器用于桥梁结构的应力，应变，结构振动，结构损伤程度等内部状态，并取得较好的测试结果。美国Fiber Dynamics Inc开发的基于光纤法布里珀罗干涉传感元和光纤马赫曾徳干涉相位解调型高温传感器，美国Luna Lnnovation Inc开发的基于非本征法布里珀罗干涉原理的用于应变，温度，流速等测量的波长解调型光纤传感仪[23]。日本一家建筑公司利用已商品化的光纤温度传感器，成功地应用在隧道中检测混凝土凝固过程中的温度变化。英国的York公司研制的第三代产品DTS80系统的温度分辨率为1摄氏度，准确度为0.3摄氏度[24]，挪威正在开发永久性用于井下测量的光纤光栅温度传感器。 在70年代末，我国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，已有很多高校院校和科研单位在光纤传感器和光纤传感技术这一领域开展研究工作，如清华大学，华中科技大学等，并且形成了了一支训练有素的研究和应用队伍，已研制出多种光纤传感器，但我国的研究水平与发达国家相比，还有不小的差距，大多数仍处于实验阶段。从 90 年代初开始，先后有天津大学、重庆大学、电子科技大学、四川大学、哈尔滨工业大学等多家单位对光纤珐珀传感器进行了基础性研究，并应用于建筑结构安全监测等工程应用。重庆大学的研究小组将光纤珐珀传感器应用在桥梁的结构监测，如芜湖长江大桥，宜昌长江大桥、红槽房公路桥等[25]。重庆大学还与冈济大学共同研制和开发的大佛寺长江大桥结构监测系统，将 40 个光纤 F-P 传感器埋入 5 个关键截面，用以监测主梁应力，在国内首次实现了光纤 F-P 应变传感器的大规模工程应用，初步证明了光纤应变测量系统在桥梁结构监测中的可行性[26]。2007 年 3 月，电子科技大学饶云江、冉曾令发明《光纤珐珀传感器及其制作方法》的专利，采用激光微加工的方法在各种光纤上制作光纤珐珀传感器，该方法制作的光纤珐珀传感器具有机械稳定性好、耐高温、光学性能优良等优点。 参考文献： [1]张光军．光电检测技术[M]．北京：中国计量出版社，2002:287-300． [2]沃江海，高精度干涉型光纤传感器的理论与实验研究[D] [3] 饶云江,曾祥楷,朱永等. 非本征型珐布里-珀罗干涉仪/光纤布拉格光栅应变－温度传感器及其应用. 光学学报, 2002, 22(1): 85-88 [4] J. 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