光纤传感技术研究论文

光纤传感技术研究论文（精选8篇）

光纤传感技术研究论文 篇1

【论文摘要】：介绍了光纤传感器的基本构成及原理，综述了近年来光纤传感器技术的应用和发展，对光纤传感技术的研究发展方向进行了展望。

1.光纤传感器的基本构成和组成原理

光纤传感器主要由光源、光纤与探测器3部分组成，光源发出的光耦合进光纤，经光纤进入调制区，在调治区内，外界被测参数作用于进入调区内的光信号，是其光学性质如光的强度、相位、偏振态、波长等发生变化成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器而获得被测参数，光纤传感器中的光纤通常由纤芯、包层、树脂涂层和塑料护套组成，纤芯和包层具有不同的折射率，树脂涂层对光纤起保护作用，光纤按材料组成分为玻璃光纤和塑料光纤；按光纤纤芯和包层折射率的分布可分为阶跃折射率型光纤和梯度折射率光纤两种。光纤能够约束引导光波在其内部或表面附近沿轴线方向向前传播，具有感测和传输的双重功能，是一种非常重要的智能材料。

2.光纤传感器的类型及特点

光纤传感器的类型很多，按光纤传感器中光纤的作用可分为传感型和传光型两种类型。

传感型光纤传感器又称为功能型光纤传感器，主要使用单模光纤，光纤不仅起传光作用，同时又是敏感元件，它利用光纤本身的传输特性经被测物理量作用而发生变化的特点，使光波传导的属性(振幅、相位、频率、偏振)被调制。因此，这一类光纤传感器又分为光强调制型，偏振态调制型和波长调制型等几种。对于传感型光纤传感器，由于光纤本身是敏感元件，因此加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度。

传光型光纤传感器又称非功能型光纤传感器，它是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后，通过在输出段进行光信号处理而进行测量的。在这类传感器中，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治的敏感元件才能组成传感元件。

3.光纤传感器的应用

光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的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:

(1)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来评估桥梁短期、施工阶段和长期营运状态的结构性能。

(2)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强电磁场的`干扰，无法在这些场合中使用，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通光纤传感器的优点，还具有对光纤沿线各点的温度的分布式传感能力，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的温度，定位精度可达米的量级，测温精度可达1度的水平，非常适用于大范围多点测温的应用场合。

(3)在石油化工系统、矿井、大型电厂等，需要检测氧气、碳氢化合物、CO等气体，采用电类传感器不但达不到要求的精度，更严重的是会引起安全事故。因此，研究和开发高性能的光纤气敏传感器，可以安全有效地实现上述检测。

(4)在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面，由于其环境复杂，影响因素多，使用其它传感器达不到所需要的精度，并且易受外界因素的干扰，采用光纤传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精度，可实现对上述各领域的生物量的快速、方便、准确地检测。目前，我国水源的污染情况严重，临床检验、食品安全检测手段比较落后，光纤传感器在这些领域具有极好的市场前景。

(5)医学及生物传感器。医学临床应用光纤辐射剂量计、呼吸系统气流传感系统;圆锥形微型FOS测量氧气浓度及其他生物参数;用FOS探测氢氧化物及其他化学污染物;光纤表面细胞质粒基因组共振生物传感器;生物适应FOS系统应用于海水监测、生化技术、医药。

光纤传感器在实践中运用到的例子举不胜举，这些技术都是多学科的综合，涵盖的知识面广，象光纤陀螺，火花塞光纤传感器，光纤传感复合材料，以及利用光纤传感器对植物叶绿素的研究等等；随着科技的不断进步，越来越多的光纤传感器将面世，它将被应用到生产生活的每一个角落。

4.光纤传感器的技术发展方向

光纤传感技术经过20余年的发展也已获得长足的进步，出现了很多实用性的产品，然而实际的需要是各种各样的，光纤传感技术的现状仍然远远不能满足实际需要。目前，光纤传感器技术发展的主要方向是。

(1)传感器的实用化研究。即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量，要能够对多种物理量进行同时测量。

(2)提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度，降低其成本，设计复杂的传感器网络工程。注意分布式传感器的参数，即压力、温度，特别是化学参数(碳氢化合物、一些污染物、湿度、PH值等)对光纤的影响。

(3)传感器用特殊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。这些将是以后传感器进一步发展的趋势。

(4)在恶劣条件下(高温、高压、化学腐蚀)低成本传感器(支架、连接、安装)的开发和应用。

(5)新传感机理的研究，开拓新型光纤传感器。

参考文献

[1]肖军,王颖.光纤传感技术的研究现状与展望[J].机械管理开发,,6.

[2]吴洁,薛玲玲.光纤传感器的研究进展[J].激光杂志,,5.

[3]吴琼,吴善波,刘勇,袁长迎.新型光纤传感器的设计及其特性研究[J].仪表技术与传感器,2007,11.

[4]李文植.光纤传感器的发展及其应用综述,科技创业月刊,2006,7.

光纤传感技术研究论文 篇2

一、光纤光栅传感的优势

作为光纤传感器的一种, 近年来发展十分迅速, 它之所以有这样迅猛的发展, 是因为它与传统的电传感器等相比有其独特的优点。

1、具有非传导性, 对被测介质影响小, 又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点, 适合在煤气附近、电站、核设施、矿井下、油田以及油罐周围等恶劣、高危险环境中工作。抗干扰能力强, 这一方面是因为普通光纤不会影响光波的频率特性 (忽略光纤的非线性效应) ;另一方面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干扰。

2、光纤轻巧柔软, 可以在一根光纤中写入多个光栅, 构成传感阵列, 与波分复用和时分复用技术相结合, 实现多点、分布式传感。便于构成各种形式的光纤传感网络, 尤其是采用波分复用技术构成分立式或分布式光纤光栅传感器阵列, 进行大面积的、同时的多点测量。这对于大型土木结构的健康检测等方面有着重要的应用。因此, 人们十分重视该领域的研究, 并且它已成为传感领域的重要组成部分。

3、与光纤之间存在天然的兼容性, 易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高。

4、传感探头结构简单、体积小、重量轻、外形柔软可变, 适于各种场合, 尤其是智能材料和结构。便于埋入复合材料构件及大型建筑物内部, 对结构的完整性、安全性、载荷疲劳、损伤程度等状态进行连续实时监测。稳定性高, 重复性好。测量信息是波长编码的, 所以光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接器耦合损耗、弯曲损耗以及光波偏振态的变化等因素的影响, 有较强的抗干扰能力。

5、测量信息是波长编码的, 所以光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗以及光波偏振态的变化等因素的影响, 有较强的抗干扰能力。

6、高灵敏度、高分辨率。该类传感器的信息载体是光, 无论以波长还是相位为检测对象都具有非常高的传感精度。即便检测其振幅或强度, 若有效的运用具有高分辨率的光电仪器, 也可对某物理量的检测具有非常高的精度。

正是由于具有这么多的优点, 近年来光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测, 以及能源化工等领域得到了广泛的应用。

二、光纤光栅传感技术的应用

1、在电力系统的应用。

光纤光栅传感器在电力上的应用, 主要是通过对温度的测量实现对电力设备的实时安全检测。光纤光栅传感器检测的电力设备包括高压开关柜隔离触头断路器、线夹、隔离刀闸、互感器、变压器、电抗器、阻波器等。对这些电力设备进行温度的在线监测, 诊断过热的原因, 再经过处理分析故障, 从而实现真正意义的在线安全监测。

光纤光栅传感器具有良好的抗电磁干扰性, 是电力工业中有关参数监测的理想传感元件。在电力工业中, 电流转换器可把电流变化转化为电压变化, 电压变化使陶瓷 (PZT) 产生变形, 贴于PZT上的光纤光栅产生波长漂移, 从而得知电流强度。光纤光栅传感器在长距离电力输电线载荷以及电力变压器绕组的分布式实时监测方面具有独特的优势。光纤光栅传感器可测电线的载重量, 其原理为把载重量的变化转化为紧贴电线的金属板所受应力的变化, 这一应力变化被黏于金属板上的光纤光栅探测到。这是利用光纤光栅传感器实现远距离恶劣环境下测量的实例。

2、在航天器及船舶中的应用。

光纤光栅传感器非常适合在航天器中应用。光纤光栅传感器在航天器中监测飞行器的应变、温度、振动、起落驾驶状态、超声波场和加速度等情况。因为传感器的重量要尽量轻, 尺寸要尽量小, 因此, 灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。为了监测一架飞行器的应变、温度、振动、起落驾驶状态、超声波场和加速度等情况, 通常需要100多个传感器, 故传感器的重量要尽量轻, 尺寸要尽量小, 因此, 灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择;光纤光栅传感器非常适合用来监测轮船船体结构, 提供可影响材料性能的机械变化信息, 监测复合材料的硫化, 在轮船的试用期担当监测任务, 测量船体的弯曲应力, 测量海浪对甲板的抨击力。

3、在土木工程领域中的应用。

光栅传感器具有很好的检测精度、线性响应和重复性, 可以为工程结构监测提供数据, 在一定程度上为实现长期监测提供了保障。大型土木工程结构和基础设施 (如桥梁、超高层建筑、大型水坝等建筑) 在其长期的服役过程中, 结构不可避免地产生损伤积累, 抗力减小, 如不能了解结构的健康情况, 一旦事故发生就会带来巨大的损失。光纤光栅传感器的独特优点使得它们很容易粘贴于结构表面或者嵌入结构内部, 实现对结构状态的实时分布式监测。光栅光纤传感器在工程施工期间, 可以进行实时监测, 在工程建成之后, 可以监测结构的健康状况以及载荷分布情况。

4、在石油工业中的应用。

光纤光栅传感器非常适合在石油领域里应用。油井井温在石油勘探、开采和生产中是一个极其重要的参数, 它对确定油层位置、厚度、含水地层的深度等具有决定性的意义, 分布式光纤光栅测温系统为井温测量提供了一种全新的手段, 系统使用柔软、芯径细小、本身绝缘并与光纤光栅天然相容的光纤作为感知并传送信号的媒体, 可以在恶劣的环境下对形状复杂的温度场进行实时快速地检测和定位。

5、在医学领域中的应用。

光纤光栅传感器是目前为止最小的传感器, 能够通过最小限度的侵害方式测量人体组织内部的温度、压力、声波场的精确局部信息。此点在医学领域中非常重要, 因为小的尺寸对人体组织的伤害较小。光纤光栅传感系统已经能成功地检测病变组织的温度和超声波场, 为研究病变组织提供信息。巴西的Wehrle等人用弹性胶带将光纤光栅应变传感器固定在病人的胸部, 通过胸腔的变化, 测量呼吸过程的频谱。

三、光纤光栅技术未来发展前景

由于光纤光栅传感器具有传感信号对波长绝对编码、抗电磁干扰等优点, 因此具有广泛的应用前景。目前, 对光纤光栅传感器的研究方向主要有三个方面:一是对高灵敏度、高分辨力传感器的研究;二是对光纤光栅反射信号和透射信号分析和测试系统的研究, 目标是开发低成本、小型化、可靠及灵敏的探测技术;三是光纤光栅传感器实用技术的研究, 包括封装技术、温度补偿技术和传感网络技术。工业施工现场环境比较恶劣, 光纤纤细易断, 采用先进的封装工艺使得光纤光栅传感器在恶劣的环境中正常工作尤为重要。另外, 应变、温度交叉敏感的问题解决的好坏直接影响到光纤光栅传感器的实用化, 而且, 多参量同时传感是发展方向。光纤光栅传感器相对于其他传统传感器的一个重要优势在于可以很方便地构成网络, 实现分布式传感, 因此, 发展网络技术势在必行。

虽然光纤光栅传感器具有很多优点, 但是, 目前一些实用技术还不成熟, 影响了光纤光栅传感器从实验室走向实际应用。另外, 偏高的市场价格也影响了其在国内的应用, 这有待从原理、原材料和制作工艺等方面入手, 降低生产成本, 研制出适合中国传感器市场的优质低价光纤光栅传感器。

为了进一步发展光纤光栅传感器, 还要做许多研究工作。一是继续深入研究光纤光栅的基本性能, 包括传感机理、工艺技术增敏去敏方法、多参量同时测量途径等;二是加强光纤光栅波长检测技术的研究, 促进光纤光栅传感及其网络技术的发展;三是完善现有的光栅写入方法及其封装技术, 研究新的写入方法, 尤其是非均匀光栅的写入方法, 降低成本, 提高寿命。

随着科学技术的不断发展, 光纤光栅传感技术的新成果不断涌现, 相信在不久的将来光纤光栅传感器势必在很多领域取代传统的传感器。其在桥梁、土木结构、大型装备、电力、高压电气设备等领域的市场占有率将会快速增长, 相对应的新技术成果的生产力转化将会更多、更快。

摘要：光纤光栅传感技术是近年来发展起来的一门新技术。本文在分析光纤光栅传感技术优势的基础上, 综述光纤光栅传感技术的应用, 讨论光纤光栅传感器在应用研究过程中需要解决的关键问题, 并对其应用前景做了展望。

关键词：光纤光栅,传感技术,应用研究

参考文献

[1]赵勇.光纤光栅及其传感技术[M].北京:国防工业出版社, 2007.

[2]申铱国, 张铁强.光电子学[M].北京:兵器工业出版社, 1994.

光纤传感技术研究论文 篇3

关键词： 分布式光纤传感； 后向散射； 电力电缆； 健康状态监测

中图分类号： TP 212文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.06.015

引言

电力电缆是电力传输的重要载体。但是人为因素（如：施工挖断、被盗等）和自然灾害（如：滑坡、塌方、地基沉降、洪水等）会造成电缆线路故障，影响电力电网建设效能的发挥。因此，如何应用科学手段实现对电力电缆的运行及环境状态的监控、预警和定位、以便及时提醒线路维护人员提前采取预防措施显得十分的紧迫和必要。

文中研究一种基于全光纤传感技术的智能监测系统，该系统利用光纤传感器对电网中的电力电缆线路的运行状况进行全方位实时智能监测。该智能监测系统不但可实现对电力电缆线路的温度、载流量、偷盗入侵等进行监测，确保电网安全、高效运行，而且还可综合分析处理各传感器信息，在出现异常情况时，通过控制相应的联动设备采取一定的措施来保障电网正常运行。

光纤传感物联网的应用 篇4

随着科学技术的不断进步，为了达到实时控制、精确管理、科学决策的目的，人们对事物的感知、控制的要求越来越高。在通信技术与互联网技术飞速发展的带动下，物联网应运而生，将成为继计算机互联网与移动通信之后的又一次信息革命。

这个学期，姜德生教授在学科导论中，给我们详细的讲解了光纤传感物联网的技术与应用，包括物联网的结构，传感网的分类，光纤传感物联网的现状及其关键技术。通过学科导论的学习，以及课后阅读的关于光纤传感物联网的知识，我对光纤传感物联网技术有了一个大概的了解，下面我就简要的谈一下我对光纤传感物联网的认识。

我国早在1999年就开始了物联网的基础——传感网的研究。中科院在该将传感网的研究列入了知识创新工程，启动了传感网的研究，只是由于当时的条件，该研究仅限于特定用途的军用传感网。国内物联网的真正兴起，是源于温家宝总理2009年8月在无锡视察中科院无锡微纳传感网工程技术研发中心时，对该中心予以高度关注，指出：“在传感网发展中，要尽早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”，“在国家重大专项中，加快推进传感网发展，指出要尽快突破核心技术，把传感技术和TD的发展结合起来，建设感知中国中心”。自此，物联网在中国社会受到了极大关注，被列入国家五大新兴战略产业之一。下面我介绍光纤传感物联网的内容和应用。

1、物联网的研究内容与难点

物联网的技术构成主要包括四个层次：a、传感网络，它是由众多传感器节点组成的有线或无线通信网络，节点密集部署在所关注的物或事物的内部或周围，实现对物的连接、感知和监控；b、数据传输网络，通过现有的互联网、无线通信网或者一些专用的通信网络，实现传感网探测数据和控制信息的控制与分发；c、数据处理技术，主要涉及数据的海量存储与管理、云计算、数据模型表示和智能化处理等；d、用户与应用接口，包括计算机和手机等终端设备。在这四个层面上，物联网的主要研究内容是：（1）总体技术的研究；（2）研究如何建立物联网的顶层架构；（3）制定相关的标准体系；（4）引导和规范物联网的技术。

2、光纤传感器在物联网中的应用

在物联网中要用到各种各样的大量的传感器。传感器可用于感知各种各样的环境参数，如温度、重力、光电、声音、位移、振动等，为物联网提供最原始的数据信息，经过处理后为人们提供服务。

随着通信技术的飞速发展，光纤传感器迅速崛起，其集成了光纤技术、激光技术和光电探测等多领域所取得的巨大成就，以其体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、数据传输安全、集传输传感合二为

一、便于构成分布式传感网络等诸多优点，在物联网这一新技术革命的推动下，正在越来越广泛应用于国民经济和人们日常生活的各个领域，大有取代电子传感器之势。

光纤传感系统主要由光源、传输光纤、探测器与信号处理部分等组成。光源发出的光经过光纤传输至传感头，当光通过传感头时，根据光纤传感器的设计不同，外部被测物理量对光的相位、强度、波长、偏振态等一个或多个参数进行调制。调制信号光经光纤传输至光电探测器后转化为电信号，经过信号处理后还原出被测物理量。

光纤传感器在船舶行业中的应用 篇5

光纤智能复合材料研究内容涉及面十分广泛，涉及到复合材料成形工业和复合材料力学、光纤传感器技术、先进信号处理技术、现代控制理论以及电子技 术等领域。尽管近年来光纤智能复合材料研究得到了迅速发展，但当前仍需要解决一些问题，如埋入光纤对复合材料力学性能影响的理论研究问题、信号处理技术问 题、力学建模与仿真等研究问题。

同时，先进的复合材料越来越多地被引入船舶的设计和制造，为了获得复合材料结构的强度和成本的优化，必须了解这种结构的完整行为特性。有人用光 纤光栅传感系统对一个按比例缩小的双体船模型进行了测量，记录了甲板和海浪之间的冲击力、结构的动态荷载以及弯曲力矩。在远洋海运中，船体关键位置的动态 应变监测以及超载条件下的及时报警是非常重要的。美国海军研究实验室和挪威海军联合开展埋入传感系统的复合材料船体的研究，其研究目标是给一艘现役玻璃纤 维排雷船安装 100个以上的光纤光栅传感器，并利用适当的解调和处理方法对船体进行静态和动态的测量。

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浅谈光纤通信技术现状及研究热点 篇6

摘要：光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式。光纤通信技术是一种新兴的通信技术，近几十年得到飞速的发展。光纤通信的优点有：频带宽、传输量大；损耗小、误码率小；重量轻、抗干扰、防泄密等。

关键词：光纤通信，新兴，技术，优点。

1光纤通信技术概述

光纤即光导纤维的简称。光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式。光纤通信的基本工作组成包括光纤、光源和光检测器。工作原理类似于电视成像原理，即首先将要发送的信息在发信端转变为电信号，电信号被调制器转变后附着于激光束上，同时激光束的强度随电信号的强弱变化而变化，之后通过媒介即光导纤维进行传送，接收端的检测器在收到光信号后，再把光信号转变回电信号继而复原为信息。光纤通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。基本的光纤传输系统有三个组成部分，分别为光发射机、光纤线路和光接收机。

光纤通信具有以下特点：容许频带很宽、通信容量大、传输距离远；干扰小、保密性能好；抗电磁干扰、传输质量好；具有环保功效、节约金属材料；光缆适应性强，损耗小、寿命长。

2光纤通信技术的发展及现状

1966年，英籍华裔学者高锟（C.K.Kao）和霍克哈姆（C.A.Hockham）发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了光纤通信的基础。从此，开创了光纤通信领域的研究工作。1976年，美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段。此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85um发展到1.31um和1.55um，传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。

由于武汉邮电科学研究院采用了石英光纤、半导体激光器和编码制式通信机正确的技术路线，使我国在发展光纤通信技术上少走了不少弯路，从而使我国光纤通信在高新技术中与发达国家有较小的差距。目前，我国已形成了较为完备的光纤通信的产业体系，在这些体系中，包括光缆、光模块、光器件、光传输设备等内容，对于我国近年来移动互联网、网络融合等项目的发展起到了不可替代的作用。现在我国光纤通信技术主要包括两大类，分别是波分复用技术和光纤接入技术。

2.1 波分复用技术

波分复用技术可以充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源。根据每一信道光波的频率（或波长）不同，将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器（合波器），将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再由一波分复用2012年6月6日星期三

器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立（不考虑光纤非线性时），从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。

2.2 光纤接入技术

光纤接入网是信息高速公路的“最后一公里”。实现信息传输的高速化，满足大众的需求，不仅要有宽带的主干传输网络，用户接入部分更是关键，光纤接入网是高速信息流进千家万户的关键技术。在光纤宽带接入中，由于光纤到达位置的不同，有FTTB、FTTC、FTTCab 和FTTH 等不同的应用，统称FTTx。FTTH（光纤到户）是光纤宽带接入的最终方式，它提供全光的接入，因此，可以充分利用光纤的宽带特性，为用户提供所需要的不受限制的带宽，充分满足宽带接入的需求。

2.3 我国FTTH（光纤到户）发展现状

我国从2003年开始对FTTH的宣传，并在武汉和成都等地开始陆续建立光纤到户的实验基地。随着FTTH的发展，中国电信企业于2005年3月在武汉、北京、上海和广州开展了试点工作。国内的几大通信运营商以及很多驻地网运营商也开始行动，而且在已建试验网的基础上也在努力地拓展和探索新的业务提供和运营模式。随着光纤到户技术的发展，国内的大多数城市意识到其对城市发展的重要性，对其发展赋予了高度的重视，至今为止，我国至少有20 个城市已经采用了光纤到户，发展较为迅速的武汉市，特意成立了光纤用户的领导小组，同时还特意组织了建设试验网，并且拨专项资金组织编写了一系列FTTH的地方标准，促进武汉市FTTH 技术的发展也带动了城市经济的发展。光纤到户的技术也受到了通信设备制造商的重视，将其定义为光纤通信的亮点，以此来促进我国通信市场的发展。

3光纤通信技术研究热点

3.1 研制廉价的光电子器件

光通信器件目前还比较昂贵"，宽带网的用户接入率不到3%，因此研制出廉价的支持大通信容量的光电子器件是非常必要的。另一个研究方向是光电子器件的集成化，通过集成化可以使器件功耗降低，性能更加稳定可靠，制造和维护成本更低，同时还能最大化的缩小设备的体积。

3.2 解决网络的安全问题

虽然光纤通信系统的其中一个好处是防泄密，但是这也不是绝对的，再好的技术也会有弱点，光纤通信也不例外。目前广泛用于网络和金融行业的是非对称密码，这种密钥的安全性基于大数因子分解这样一类不易计算的单向性函数。而量子算法证明：采用量子计算机可以轻而易举地破译这种公开密钥体系，解决这个问题的有效途径是量子通信的密码术。但是量子通信目前还处在初级研究阶段，它的应用仅局限于信息安全要求极高的少数专网，许多发达国家已投入较大的人力和物力进行这方面的研究。

3.3 研究高速全光网

光纤通信技术的研究重点是通过开发先进和低成本的复用技术，进一步降低信息传输的成本，使光纤资源的可利用率最大化。提高光通信的速度和容量是光纤通信的重要方面，实现高速全光网的关键是光交换技术。未来通信网络将是全光网络平台，网络的优化、保护和自愈功能在未来光通信领域将越来越重要。

3.4 研究光通信和纳米技术

碳纳米管最宝贵的性能是能够发光，IBM研究中心研制的光信号发射器是一个直径为1.4nm 的单纳米管，实验所探测到的是1.5um的光，与目前光纤网络广泛使用的光波一致。如果使用体积大小不同的纳米管，还可以获得不同波长的光束。各国政府对纳米技术的研究极为关注,自2000年以来,美国在这一领域的投资已超过10亿美元，日本政府在今后5年将投资额上升至500亿美元或更多。但是我国在碳纳米管用于光通信方面的研究尚不多见，希望科学家能在这一块研究上取得革命性的突破。

4结语

光纤通信技术现已作为一种重要的现代信息传输技术之一，在现在的信息社会背景和科技背景下得到普遍意义上的应用，在全球通信领域及相关行业都已无法被取代，掌握光纤通信的技术对于学习和研究电子通信是不可或缺的。，目前，全世界该项技术迅速发展，尽管我国的该项技术刚刚启动，但是我们相信，在将来，其必将迅速发展，推动我国信息化建设，促进信息化的发展。未来技术的发展还会有更新的内容，光纤通信终有一天会得到全球性的应用。

参考文献：

[1] 应捷.光通信技术的研究热点[J].光通信，2000

[2] 唐雄燕.发展中的FTTH[J].当代通信, 2005(6)

[3] 屈伟平.我国光纤到户(FTTH)市场发展综述[J].有线电视技术, 2008(3)

光纤传感技术研究论文 篇7

将现在比较热门的SPR技术与测量溶液浓度相结合。研究SPR技术在溶液浓度测量方面的应用,利用光激发棱镜表面等离子体共振技术和光强检测SPR传感器模型测量溶液浓度。为测量与研究,详细说明了实验方案以及各种装置的选择,并用测量结果验证浓度和折射率的线性关系,用MATLAB仿真光反射率与棱镜折射率的变化规律。

1 实验系统的总体设计方案

溶液的浓度是表征溶液特性的主要参数之一,对溶液浓度的测量与控制在造纸、化工、制糖、乳制品、制药、饮料等行业中有着广泛的应用,它是保证和提高产品质量的重要技术手段。在以棱镜反射光为基础的测量方法,在入射角小于临界角情况下的测量依据菲涅耳公式[3]。基于光激发表面等离子体测试溶液浓度,由于在靠近临界角的区域反射能量随角度的变化十分显著,所以测量的灵敏度较高,因此采用反射方式直接进行检测,做到快速简便,在现实中有广泛的应用。

在基于SPR的设计中,从激光器出来的光经P光起偏器产生TM波,TM经过光纤耦合器,垂直进入传感棱镜的底部并发生全反射,在金属薄膜和待测介质的界面激励表面等离子体共振,反射光经过光纤准值器耦合到达光探测器。其设计方案如图1所示。

2 溶液浓度测量设计

分别对不同浓度的食盐水溶液和蔗糖水溶液进行了测量,确定浓度与折射率之间的关系,再用所设计的光纤溶液浓度传感器进行测量,比较所得结果。

2.1 用数字阿贝折射仪测出各份溶液的浓度

首先配置食盐水溶液和蔗糖水溶液,准备5等份的食盐和蔗糖,每一份有5 g,取200 mL的水然后逐步将食盐或者蔗糖溶解在水里,每溶解一份就测量一下数据,并做下记录。由记录的数据经过EXCEL进行线性相关度的计算,可得到食盐溶液的拟合系数a≈-4 175.8,b≈3 114.2和相关系数R≈0.995 1,由此得到食盐溶液的浓度和其折射率关系的数学模型为y=3 114.2n-4 175.8,计算图2和折射率关系图3如下:

记录下的蔗糖溶液浓度和折射率的关系数据经过EXCEL进行线性相关度的计算,可得到蔗糖溶液的拟合系数a≈-726.84,b≈547.21和相关系数R≈0.998 5,由此得到蔗糖溶液的浓度和其折射率关系的数学模型为y=547.21n-726.84,计算图4和折射率关系图5如下。

2.2 结果分析

根据两种溶液的相关系数R和图2图3知,在溶液浓度较低时,其浓度与折射率显著线性相关,说明作线性拟合是合理的。说明了溶液浓度较小时,溶液的浓度与其折射率近似成线性关系[1]。

3 Matlab编程仿真研究SPR

3.1不同折射率棱镜与SPR传感器共振角的关系

SPR传感器的反射率取决于棱镜的介电常数ε0,入射角度θ,金属膜的相对介电常数ε1,金属膜的厚度d,以及待测物质的介电常数ε2,其中待测物介电常数是我们需要得到的量值,金属膜的厚度和介电常数一旦选定,不再改变[6],故需要求出不同角度下,反射率与共振角度之间的关系,以确定最大共振角度。

由图6可以得出,不同的棱镜材料对于测量的结果有影响。棱镜折射率越大,共振峰值角越小。因此,从本测量仪器应用范围,性能和使用稳定性综合考虑,选用了折射率为1.52的K9光学玻璃材料的棱镜。

n1,n2显示了理论计算三层结构中,金膜和银膜的SPR共振角—反射率曲线,从图中可以看出,在相同条件下,金膜的共振峰深度、共振角度以及峰值半宽度这三个特性都比银膜好,而且金膜可以确保在无保护膜情况下不易氧化,能够在空气中稳定使用,综合考虑选定金膜为敏感膜。

3.2 光强度调制型SPR传感器测量溶液浓度

由于SPR是入射光的倏逝波与被测介质表面的等离子波形成共振,所以只要能达到共振就会有SPR现象产生。固定的入射角最好大于或接近测量范围内最大浓度对应的蔗糖溶液的全反射临界角。选棱镜的折射率为1.52,光源波长为633 nm,测量蔗糖溶液的浓度所对应的折射率范围为1.77～1.79,折射率为1.79的蔗糖溶液所对应的全反射临界角为56.6°,这样固定的入射角必须大于56.6°。当入射角分别为56.8°,59°,65°时,通过仿真得到介质折射率与光强反射率的变化关系如图7所示。

图5中实线对应的入射角为56.8°,点线对应的入射角为59°,虚线对应的入射角为65°。从图可以看出,入射角为53.8°时曲线的斜率最陡,也就是说具有较高的测量灵敏度;入射角为59°与65°曲线比较平坦,此入射角时测量灵敏度较低。因此,固定的入射角角度大于或接近于测量范围内最大浓度对应的全反射临界角时,测量灵敏度较高。在固定入射光角度、棱镜折射率、金属膜材料和厚度的情况下,在测量范围内随着待测液体的折射率 (溶液浓度) 逐渐增大,反射率逐渐减少,并且是一条线性函数。所以可以从此测量曲线中算出不同浓液的浓度。

4 结论

从实验所得到的浓度和折射率的关系可以看出:在取平均温度的情况下,对于食盐溶液和蔗糖溶液来说,它们的折射率与浓度的对应关系有线性关系。

我们从其他科研人员用棱镜传感器对牛奶溶液的测量结果中可以看出:牛奶的压差比和折射率也有着线性关系[7]。测量结果与实际计算值也吻合的较好,试验中棱镜传感器的不确定度优于1%。在测量压差V0,V1时应尽量保证折射率为n0及n1的溶液具有相同的温度,这样可以消除温度差异对传感器探头介质折射率的影响。从而提高温差比的测试值V0,V1的准确性,减小系统误差。

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光纤传感技术研究论文 篇8

关键词:光纤光栅传感 光纤F-P腔 解调 实验研究

DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.09.020

1 引言

光纤光栅传感器属于波长调制型光纤传感器。分布式传感器是指能同时测量空间多个点的环境参数,甚至能测量空间连续分布的环境参数。由于光纤光栅感应的信息用波长编码,而波长这个绝对参量不受光源功率的波动及连接或耦合损耗的影响,还特别容易在一根光纤中连续制作多个光栅,所制得的光栅阵列轻巧柔软,与时分复用和波分复用[1,2]技术相结合,很适于作为分布式传感元件埋入材料和结构内部或贴装在其表面,对它们的温度、压力、应变等实现多点监测[3,4]。

2 光纤光栅传感原理

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化)[5,6,7],在纤芯内形成空间相位光栅,其作用实质上是在纤芯內形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜 [8,9]。

假设光纤为理想的纤芯重掺锗阶跃型光纤,并且折射率沿轴向均匀分布,包层为纯石英,此种光纤在紫外光的照射下,纤芯的折射率会发生永久性变化,对包层的折射率没有影响。利用目前的光纤光栅制作技术,如全息相干法、分波面相干法及相位模板复制法等[10],生产的光纤光栅大多数为均匀周期正弦型光栅。纤芯中的折射率分布如图2-1所示。其中n1(z)为纤芯的折射率,Δnmax为光致折射率微扰的最大值,n1(0)为纤芯原折射率,Λ为折射率变化的周期(即栅距),L为光栅的区长度。

当光纤光栅处于谐振状态时具有最大的反射率,且反射中心波长 [11],该方程称为光栅Bragg方程。基于光纤光栅传感器的传感过程就是通过外界参量对Bragg中心反射波长的调制来获取传感信息,是一种波长调制型光纤传感器。

3 基于光纤F-P腔的光纤光栅传感器解调方法

本文设计的分布式光纤Bragg光栅传感器是利用腔长可调光纤F-P腔对光纤Bragg光栅反射回的光波进行滤波,即当光纤Bragg光栅反射中心波长满足光纤F-P腔的产生干涉极大值的相位条件时,反射光波能够透过光纤F-P腔,在其透射端得到干涉极大光强,然后根据光纤F-P腔腔长的变化来得到光纤Bragg光栅反射波长的变化,进而由计算得到光纤Bragg光栅传感点的被测量的变化。

本文设计的光路如图3-1所示,光源LED(Light Emitting Diode) 发出的光经光纤耦合器耦合到两段反射中心波长不同的光纤Bragg光栅中,光纤Bragg光栅反射回的不同波长的光波再经由耦合器并通过熔接耦合到多模可调光纤F-P腔中,光纤F-P腔的调节利用了压电晶体的逆压电效应,即压电晶体的电致伸缩性。将光纤F-P腔同压电晶体粘在一起后,通过调节加在压电晶体上的电压就能改变光纤F-P腔的腔长,利用光纤F-P腔腔长的不同,就可以由多光束干涉原理实现对光纤F-P腔的透射光的波长选择,即可以对光纤Bragg光栅反射回来的光波实现滤波。透过光纤F-P腔的光纤反射光由光电探测器接收,当光电探测器接收到满足要求的光信号后,即启动采样/保持系统来采样加在PZT上的电压,由加在PZT上的电压可以求得PZT由电致伸缩效应产生的形变,进而求得光纤F-P腔的腔长的改变,从而得到光纤F-P腔透射光波的波长,即为光纤Bragg光栅反射光波的波长。因为光纤F-P腔的腔长不同,对应的透过光波的波长不同,而且光纤F-P腔具有一定的可调谐的范围;再根据传感光栅反射波长的移动范围即可得到透射光波对应的光栅传感点,所以由图示光路即可实现光纤Bragg光栅的分布式传感。

4 实验装置及结果分析

4.1实验装置

分布式光纤Bragg光栅传感器实验系统主要由2个光纤Bragg光栅(反射波长分别为1299.760 nm 和1300.720 nm)、光源、稳压电源、光纤耦合器、光路滤波系统、光电转换系统和单片机处理系统等几部分组成,整个系统示意如图4-1所示。

4.2传感器的特性实验

光源发出的光经光纤耦合器耦合入光纤Bragg光栅,经光纤Bragg光栅反射后的光波再经光纤耦合器耦合到由PZT调节腔长的光纤F-P腔;当光纤F-P腔的腔长与光纤Bragg光栅反射波的波长满足相位关系时,则光纤Bragg光栅反射光波透射过光纤F-P腔;该透射光经PIN接收放大滤波后得到的结果可以由示波器测得;显示的结果与PZT驱动电路的驱动电压相结合即可得到反射波长处的PZT电压值;根据此PZT电压值即可得到光纤F-P腔长的变化,然后由关系式计算得光纤Bragg光栅反射波长的变化。根据以上方法可以进行分布式光纤Bragg光栅传感器特性实验。

4.2.1温度特性实验

设计过程中需要对传感光栅进行温度实验,实验有两种方法,一种方法为在温控柜中进行常温下的升温降温实验;别一种方法是在水中将水进行不断的升温和降温来改变传感光栅的外界温度,由此测量传感光栅的反射波长变化,结合实际应用水温及温控柜的温度变化范围为20℃~90℃。

实验中需要注意的事项是加热到一定的温度后,测试数据前先拔掉电源,等传感器周围温度不再明显变化了以后再记录数据。这样能够使光纤传感器更加适应环境温度,反应出来的波长变化也就越接近实际的传感光纤的温度特性。

图4-2和图4-3分别为光纤Bragg光栅1和光纤Bragg光栅2在水中做温度实验时的温度与反射波长变化的关系。该变化关系的取得是通过首先测得光纤Bragg光栅反射波长处的PZT加压值,然后经过计算得到光纤F-P腔长的变化值,再由此变化得到光纤Bragg光栅反射波长的变化值。通过取得的PZT两端所加电压值的范围,来定位光纤Bragg光栅点也就是被测量的位置。

在实验中对传感光栅没有任何应力干扰,所以实验结果就为光纤Bragg光栅的温度传感结果。从图中可以看出,光纤Bragg光栅作为温度传感具有良好的线性度。

4.2.2应力应变特性实验

将光纤Bragg光栅应变传感器应用于建筑物的测量中,可实现对建筑物的实时监测,测试方法是通过光纤Bragg光栅把所测的机械量(应变变化)转换成光纤Bragg光栅反射波长的变化。光纤Bragg光栅应变传感实验装置如图4-4所示。将光纤Bragg光栅分别用环氧树脂粘在不同的试棒上,在试棒上加不同的拉力,由弹性力学知,在试棒的弹性范围内,试棒所受的拉力和应变成正比,所以在实验中对试棒进行拉伸,即可得到光纤Bragg光栅的应变特性。由实验得到反射波长处的PZT加压值,图4-5,4-6为经过换算后的拉力与光纤Bragg光栅反射波长变化之间的关系。

由于实验是在恒温下进行的,所以可忽略温度的影响,图4-2和图4-3反映的只是光纤Bragg光栅应变传感特性。从图中可以看出光纤Bragg光栅作为应变传感具有良好的线性度。

4.3实验结果分析

由实验方法的分析,可知图4-2、图4-3、图4-5、图4-6中所示的传感光纤Bragg光栅的反射波长位移,是首先取得反射波长处的PZT驱动电压值,然后计算得到的,所以计算结果保留的小数位数并不能代表传感器的传感精度。为了验证传感器的精度我们利用武汉理工大学研制的BGD-L05A型光纤光栅解调器对实验中的两段光纤Bragg光栅在相同条件下进行了实验,该解调器的精度为0.05 nm。将进行比较的数据分别列于表4-1和表4-2中。表中波长位移1、2为BGD-L05A测得的数据。

由表4-1和表4-2的数据对比可得到该分布式光纤Bragg光栅传感器的精度至少为0.1 nm。影响系统测量精度的主要因素有压电晶体逆压电效应的响应时间,以及PIN的响应时间等,这些时间的延迟导致测得的波长位移量偏大,另外光纤F-P腔由于受到外界环境干扰也会使得测量的结果产生误差。

由图4-2得到系统的关于光纤Bragg光栅1的温度灵敏度为11.521 pm/℃,由图4-3得到系统的关于光纤Bragg光栅2的温度灵敏度为11.483 pm/℃;由图4-5得到系统的关于光纤Bragg光栅1的应变灵敏度为71.5 pm/KN,由圖4-6得到系统的关于光纤Bragg光栅2的应变灵敏度为58.6 pm/KN。它们的线性拟合度都在0.99以上。通过实验说明本课题设计的分布式光纤Bragg光栅传感器的精度为0.1 nm,在分别测量温度和应变时具有良好的线性拟合度,测量得到的结果与理论分析相吻合,适合作为传感应用。

5 小结

本文设计了分布式光纤Bragg光栅传感器的实验方案,并根据实验方案对传感器进行了温度特性和应变特性的实验,将实验结果同BGD-L05A型光纤光栅解调器的测试结果相比较,得出了文章设计的分布式光纤Bragg光栅传感器的测量精度,并由实验结果得到了系统对温度和应变的灵敏度。

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