了解采用光导纤维的光电传感器的应用.doc

一、光纤传感器的原理和组成 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。光纤主要分为两类一是渐变光纤一是跃阶光纤。前者的折射率是渐变的而后者的折射率是突变的。另外还分为单模光纤及多模光纤 近年来又有新的光子晶体光纤问世。依材质：石英玻璃、多组份玻璃、氟化物、塑料、液芯。 依转输方式分：单模、多模级射、多模斜射。 依折射率分：阶跃型、渐变型光纤。依工作波长分：短波长光纤、长波长光纤、超长波长光纤。光纤是基于光的全反射原理而工作的。当入射角 在此范围内时，光在界面产生全反射，并在光纤内部一同样的角度反复逐次反射，知道传播到光纤的另一端面。如果工作需要光纤微弯曲，只要仍满足全反射定律，则光仍然可以继续前进。如果入射角超出上述范围，则进入光纤的光线便会在截面上发生折射，并透入包层。 二、光纤传感器的类型及特点 1、特点：灵敏度高，耐腐蚀，电绝缘，防爆性好，抗电磁干扰，光路可挠曲，易于与电脑连接，便于遥测等；而且：结构简单，尺寸小，质量轻，频带宽，可进行温度、应变、压力等多种参数的分布式测量。因此自从光纤传感技术随着光纤通信技术的发展逐步形成之后，它就得到了深入的研究和广泛的应用，现今光纤传感器已经能够对温度、压力、温度、振动、电流、电压、磁场等物理量进行测定，其应用范围深入至国防军事、航天航空、土木工程、电力、能源、环保、医学等，发展空间相当广阔！ 2、分类： 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 光纤传感器根据其测量范围还可分为点式光纤传感器，分布式光纤传感器。 单点光纤传感器，只能对某一点做连续测量，分布式光纤传感器是理想的结构应变分布的监测器 ,它能在对结构无损伤的情况下 ,利用光导纤维具有的传感运输双重特性，迅速实现对待测场沿光纤分布的多点甚至连续点测量，以达到取代多台独立点传感器的目的。分布式光纤系统的基本原理为：光源发出脉冲光经分光束进入光纤，光纤中的背向散射光经分光束耦合进入调制器，调制器把待测对广播参数的调制变成功率的变化并进入光点检测器。根据背向散射光的功率及其相对于注入光脉冲的时延可以得出测场沿光纤的分布。 三、光纤传感器的应用 1、在航天器及船舶中的应用 先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好，而且可以减轻船体或航天器的重量，对于快速航运或飞行具有重要意义，因此复合材料越来越多地被用于制造航空航海工具(如飞机的机翼)。 为全面衡量船体的状况，需要了解其不同部位的变形力矩、剪切压力、甲板所受的抨击力，对于普通船体大约需要100个传感器，因此波长复用能力极强 的光纤光栅传感器最适合于船体检测。光纤光栅传感系统可测量船体的弯曲应力，而且可测量海浪对湿甲板的抨击力。具有干涉探测性能的16路光纤光栅复用系统 成功实现了在带宽为5kHz范围内、分辨率小于10n/(Hz)1/2的动态应变测量。另外，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，尺寸尽量小，因 此最灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。另外，实际上飞机的复合材料中存在两个方向的应变，嵌人材料中的光纤光栅传感器是实现多点多轴向应变和温度测量的理想智能元件。 2、在民用工程结构中的应用 民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的。通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及状况。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检 测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。 光纤传感器在温度测试中的应用 它是利用光在光纤中传输能够产生后向散射，在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，那么它在光纤中传输的同时不断产生后向散射光波，这些后向散射光波的状态受到所在光纤散射点的温度影响而有所改变，将散射回来的光波经波分复用、检测解调后，送入信号处理系统便可将温度信号实时显示出来，并且由光纤中光波的传输速度和背向光回波的时间对这些信息定位 光纤传感器在裂缝监测中的应用 当地下深部发生变形时，必将挤压砂浆体产生相应形变，导致裂缝或滑移（错动）的产生，进而引起埋入光纤的微弯，该处的微弯将破坏光波导的全反射条件，使光损耗增加，产生衰减，利用光纤监测地下深部变形，就是基于微弯衰减的传感机制。埋入洞内的光纤，全部是传感部分，受深部变形作用，光纤产生微弯或挠曲，致使光损耗增大；OTDR检测到全过程的散射光强分布。（OTDR是一种用于光纤通信故障定位的技术，现在普遍运用于分布式光纤传感器系统中） 光纤传感器在光纤光缆中的应用 光缆通信在我国已有20多年的使用历史，这段历史也就是光通信技术的发展史和光纤光缆的发展史。光纤光缆在我国的发展可以分为这样几个阶段：对光缆可用性的探讨；取代市内局间中继线的市话电缆和PCM电缆；取代有线通信干线上的高频对称电缆和同轴电缆。这两个取代应该说是完成了；现正在取代接入网的主干线和配线的市话主干电缆和配线电缆，并正在进入局域网和室内综合布线系统。目前，光纤光缆已经进入了有线通信的各个领域，包括邮电通信、广播通信、电力通信和军用通信等领域。 光纤传感器在智能大桥中的应用 它是将传感元件、驱动元件以及信息处理控制系统集成于主体材料中 ,使制成的构件不仅具有承受载荷、传递运动的能力 ,而且具有检测多种参数 (如应力、应变、损伤、温度、压力等 )、分析、处理及控制等多种功能。它出现时间不长 ,但已成为目前国内外研究的热点。具有智能材料结构特点的智能桥梁能对 智能材料结构的动作流程图桥梁的施工质量、运营中的应力状态以及其它多种参数进行长期实时在线监测 ,并根据对大量传感信息的实时综合分析采取适当、及时的控制措施 ,因而可以极大地提高工程结构的安全性和可靠性 ,避免灾难性事故的发生。 3、在电力工业中的应用 光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可实现长距离低损耗传输，从而成为电力工业应用的理想选择。电线的载重量、变压器绕线的温度、大电流等都可利用光纤光栅传感器测量。 4、在医学中的应用 光纤光栅传感器还可用来测量心脏的效率。在这种方法中，医生把嵌有光纤光栅的热稀释导管插入病人心脏的右心房，并注射人一种冷溶液，可测量肺动脉血液的温度，结合脉功率就可知道心脏的血液输出量，这对于心脏监测是非常重要的。 5、在化学传感中的应用 光纤光栅传感器可用于化学传感，因为光栅的中心波长随折射率的变化而变化，而光栅间倏失波的相互作用以及环境中的化学物质的浓度变化都会引起折射率的变化。 四、光纤在光缆通信中的应用 1、光缆技术的发展特点 光网络的发展使得光缆的新结构不断涌现 光缆的结构总是随着光网络的发展、使用环境的要求而发展的。新一代的全光网络要求光缆提供更宽的带宽、容纳更多的波长、传送更高的速率、便于安装维护、使用寿命更长等。近年来，光缆结构的发展可归纳为以下一些特点。 光缆结构根据使用的网络环境有了明确的光纤类型的选择，如干线网光纤、城域网光纤、接入网光纤、局域网光纤等，这决定了大范围内光缆光纤传输特性的要求，具体运用的条件还有可依据的细分的标准及指标； 光缆结构除考虑光缆使用环境条件以外，越来越多的与其施工方法、维护方法有关，必须统一考虑，配套设计； 光缆新材料的出现，促进了光缆结构的改进，如干式阻水料、纳米材料、阻燃材料等的采用，使光缆性能有明显改进。 不同的场合和不同的要求造成了光缆的多结构的发展趋势，新的光缆结构以及在现有结构上不断改进的各种结构也在不断涌现，出现了如下一些类型： 1）“干缆芯”式光缆：所谓“干缆芯”即区别于常用的填充管型的光缆缆芯。这种缆的阻水功能主要靠阻水带、阻水纱和涂层组合来完成，其防水性能、渗水性能都与传统的光缆相同，但它具有生产、运输、施工和维护上的一些优点。首先是方便，因为阻水材料不含粘性脂类，操作使用比较方便安全；其次，干式光缆重量轻、易接续、易搬运，设备投资小、成本低，生产使用中也显得干净卫生，在长期使用中还可减少缆芯中各种元件之间的相对移动。特别是在接入网室内缆和用户缆中，好处更加明显。 2）生态光缆：一些公司从环境保护及阻燃性能的要求出发，开发了生态光缆，应用于室内、楼房及家庭。现有光缆中使用的一些材料已不符合环保的要求，如PVC燃烧时会放出有毒性气体，光缆稳定剂中有时含铅，都是对人体及环境有害的。2001年ITU-T已通过了一项L45建议“使电信网外部设备对环境的影响最小化”建议，通过对光缆、电缆光器件及电杆等基于寿命周期怦估（Life CycleAnalysis，LCA）的方法来确定产品对环境的影响。由于环境因素正日益受到重视，对通信外部设备，特别是光缆产品规定这样的指标已提到日程上来，如果不在材料和工艺上下功夫就难以达到环保的要求。因此已有不少公司针对此类问题开发了一些新材料，如对室内用缆，开发了含有阻燃添加剂的聚酞胺化合物，以及无卤性阻燃塑料等。 3）海底光缆：海底光缆近年来有根快的发展，它要求长距离、低衰减的传输，而且要适应海底的环境，对抗水压、抗气损、抗拉伸、抗冲击的要求都特别严格。 4）浅水光缆（Marinized Terrestrail Cable，MTC）：浅水光缆是区别于海底光缆而提出来的另一类结构的水下光缆，适合于在海岸边上、浅水中安装，无需中继、通信距离比较短的水下（如岛屿间、沿海岸边上的城市）敷设使用。这种光缆区别于海底光缆的环境，需要的光纤数不多（中等），但要求结构简单、成本较低，易于安装和运输，便于修复和维护。ITU-T在2001年提出了ITU-T G.972定义下的浅水光缆建议，为建设类似的水下光缆提供了一组规范，随后也有可能形成相应的国际标准。 5）微型光缆：为了配合气压安装（或水压安装）施工系统的运用，各种微型的光缆结构已在设计和使用中。对于气压安装的微型光缆，要求光缆与管道之间有一定的系数，光缆重量要准确，具有一定的硬度等。这种微型光缆和自动安装的方式是未来接入网，特别是用户驻地网络中综合布线系统很有潜力的一种方式，如在智能建筑中运用的智能管道中就非常适合这种安装。 6）采用了纳米材料的光缆：近来，一些厂商已开发出纳米光纤涂料、纳米光纤油膏、纳米护套用聚乙烯（PE）及光纤护套管用纳米PBT等材料。采用纳米材料的光缆，利用了纳米材料所具有的许多优异性能，对光缆的抗机械冲击性能、阻水、阻气性都有一定的改善，并可延长光缆的使用寿命。目前此类材料尚处于试用阶段。 7）全介质自承式光缆（ADSS）：全介质光缆对防止电磁影响及防雷电都有优良的特性，而且重量轻、外径小，架空使用非常方便，在电力通信网中已得到大量的应用。预计20002005年，每年电力部门对ADSS光缆需求约15000km。ADSS同时也是电信部门在对抗电磁干扰及雷暴日高的敷设环境中一种很好的光缆类型的选择。在今后一段时间内，如何在满足要求的前提下，尽量减小ADSS光缆的外径，减轻光缆的重量，提高其耐电压性能是ADSS光缆研究改进的课题。 8）架空地线光缆（OPGW）：OPGW已出现了很长一段时间，近年来一直在改进和提高之中。OPGW的光纤单元中采用PBT，于套管外面再加上一层不锈钢管，有的还在塑料套管与不锈钢管之间加上一层热塑胶，不锈钢管用激光焊接长度可达数十公里，光纤在这样的多层保护管中得到了充分的机械保护。预计从现在到2005年，OPGW光缆的需求将会逐年上升，每年增加约2500km，到2005年预计可达到20000km。当然对OPGW光纤的防雷问题一直是业界十分关注的问题，也应配合具体环境和使用条件加以考虑，使之得到充分保护。2、光缆的自动维护、适时监测系统已逐渐完善，可保证大容量高速率的光缆不中断传输 光缆的维护对于保证网络的可靠性是十分重要。在已开通的光网络中，光缆的维护和监测应该是在不中断通信的前提下进行的，一般通过监测空闲光纤（暗光纤）的方式来检测在用光纤的状态，更有效的方式是直接监测正在通信的光纤。 五、对光缆技术发展的一些看法 1、 现阶段必须大力促进我国的自主知识产权的发展 虽然这几年来，我国光缆电缆技术有很大发展，有一些具有自主知识产权的技术已在发挥作用，但是应该看到这种比例仍是很小的，国内有近200家光纤光缆厂，但大多产品单一，没有自主的知识产权，技术含量较低，竞争力不强。有资料统计，19971999年国内企业申请光通信专利的有132件，其中光纤38件，光缆只有19件，而同期外国公司在中国申请光通信专利达550件，其中光纤光缆37件。还有资料报道：从1997年以来，国内光通信核心技术专利是90件，我国自主申请的只有9件，仅占10。实际上我国的光纤光缆技术应该说与国际水平己差距下大，因此我们作为世界第二的光缆大国，应该把开发具有自主知识产权的技术作为我们工作的重中之重，争取创造更多的光纤光缆专利。 2、要努力创新发展，开发适应时代的新产品 电信网络在不断发展的同时也对光缆电缆产品不断提出新的要求。不难发现，光缆的结构越来越依赖于使用的环境条件及施工的具体要求，在海底光缆、浅水光缆、ADSS及OPGW光缆的开发中，会对这一点有深刻的体会。而今后光缆建设的重点将会随着接入网、用户驻地网的建设不断展开，新一代的光缆结构和施工技术也会基于如微型光缆、吹入或漂浮安装及迷你型微管或小管系统的全套技术而有一系列新的变化，以便有限的敷设空间得到充分、灵活的利用。这当中也包含了若干光缆设计、制造工艺、光纤光缆材料、施工安装方面的新的技术课题。一些国家或公司已取得了一些经验，正逐渐形成新的系统技术专利。我国的用户众多，接入网和用户驻地网具有很多的特色，对接入光缆也会有更多的要求，为我们研究和创新接入网和用户驻地网光缆结构提供了很好的机会。应该说，多数光缆技术我们是跟在国外最新技术的后面，虽然紧跟了先进技术，但自我创新的成份太少。今后应当在这方面下些功夫，走自己的创新之路。在有中国特色的接入网及用户驻地网中多采用一些有中国特色的光电缆产品。 3、改进光缆电缆的施工和维护方法 目前，为了适应城市施工的特点，国际上较重视不挖沟的方式施工光、电缆，采用小地沟或微地沟技术安装光缆，同时对光缆网进行自动监测，保证光缆网络不中断通信维护。与此相适应的是需要开发相应的元器件、工具和设备，并且要在体制上作一些改进与之相适应。ITU对NH开发光缆用浸水传感器、光纤自动测试时的光纤选择器以及美国提出的1s告警、3min内定位的指标及意大利提出的光纤纤芯与光缆护套指标综合监测等方案都十分重视。在现代化的光网络中，这些方式已经起到明显的作用。由此可见，为了保证光缆网络工作的可靠性，在施工和维护中降低成本、节省劳力、节省时间，逐步推广新的施工方法，逐步完善光缆网络的自动监测维护系统和提高光缆网络的不中断维护水平已势在必行。 4、冷静地审视当前电信市场的发展，促进光纤光缆和通信电缆产业的发展 光纤光缆及通信电缆的市场走势虽然受到国际经济大形势发展的影响，特别是与整个电信行业的发展有密切的关系，但应看到，在挤出了网络泡沫的水份之后，随着光纤网络从骨干网的扩建到接入网、城域网的扩散以及向用户驻地网的不断延伸，光纤光缆及宽带数字电缆的市场必将增长。应该看到，信息通信业是一个充满生机与活力的朝阳产业，网络经济有着强大的生命力，信息技术、网络技术的发展，仍然是推动社会进步的重要动力，信息网络化仍然是当今世界经济、社会发展的强大趋势。因此我们应树立信心，在全球经济好转、通信市场复苏及我国西部开发等有利条件下抓住机遇，促进光纤光缆和通信电缆技术与产业取得更大的进展。 5、抓住西部大开发的大好机遇，发展光缆电缆技术与产业 西部大开发是国家的重大策略，国家制定了有利的政策，政府对发展通信等行业也给予了大力的支持。西部是一个地域复杂、分布较宽、通信相对落后的地区。经济大发展中，通信要先行，需要一些与之相适应的光纤光缆及通信电缆的先进产品来配合发展的需求。因此，符合条件的产品将会在这里找到很好的市场。西电东送、西气东输等巨大工程也需要大量的高质量的ADSS、OPGW等型式的光缆及各种电缆相配套。因此光纤光缆和通信电缆的各种技术、产品及成果都会在西部开发中得到发挥。同时西部现代化的建设对我们的产品提出了许多新的难题，光纤光缆和电缆行业在开发大西部的同时也会得到更好的改造和创新的机会，促进自身技术水平的提升和发展。 传感技术的发展经历了三个阶段,即结构型传感器、物性型传感器和智能型传感器，其测量技术、方法和特点的发展历程见表1。表1 传感器的发展阶段4050年代60年代70年代80年代至今测量变量温度、压力、流量、物位、电压、电流、功率重力、位移、尺寸、速度、加速度、湿度、气候、离子等振动、位移等机械运转状态；设备异常状态如过热、泄漏、绝缘等；产品在线检测如表面质量、形状等；五官感觉指人的五官感觉测量技术模拟测量法数字测量法模拟、数字混合测量法测量技术与信息处理技术相结合测量方法单参数测量复参数扫描测量图形测量（二维）多层扫描、数据处理、物体识别（三维）测量特点静态或工作参数动态、不接触式、质量指标传感器特点结构型传感器物性型传感器（直接变换）物性型传感器、智能型传感器（带微处理器）1、结构型传感器以其结构部分变化或结构部分变化后而引起某种场的变化来反映被测量的大小及变化。 2、物性型传感器利用构成传感器的某些材料本身的物理特性在被测量的作用下发生变化,从而将被测量转换为电信号或其他信号输出。 3、智能型传感器把传感器与微处理器有机地结合成一个高度集成化的新型传感器。它与结构型、物性型传感器相比,能瞬时获取大量信息,对所获得的信息还具有信号处理的功能,使信息的质量大大提高,其功能也扩展了。以网络化智能传感器为例,它以嵌入式微处理器为核心,集成了传感单元、信号处理单元和网络接口单元,使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多点检测发展;从被动检测向主动进行信息处理方向发展;从孤立元件向系统化、网络化发展;从就地测量向远距离实时在线测控发展,已成为传感器技术发展的主要方向之一。光纤传感器的背景1977年，美国海军研究所（NRL）开始执行由查尔斯戴维斯（Charles M Davis）博士主持的Foss（光纤传感器系统）计划，这被认为是光纤传感器问世的日子。而早期的光纤传感器因为存在着诸如价格昂贵、技术不够成熟等问题，使得它在工程实际应用上较少，一般只在实验室中作一些研究之类的尝试。然而与传统传感器相比，光纤传感器有着一系列独特的优点：它可以在强电磁干扰、高温高压、原子辐射、易爆、化学腐蚀等恶劣条件下使用，高灵敏度及低损耗的优点使其用途广泛。正是由于光纤传感器的这些特点及价值，科学家们开始对其进行大量的研究与改进，并取得了一系列重大的成果。1978年，加拿大渥太华通信研究中心（Canadian Communications Research Centre(CRC),Ottawa, Ont, Canada）Hill K.O.成功地在光导纤维上写上周期性的光栅，从而产生了第一根光纤光栅；1988年，Meltz G.发明了光纤光栅紫外光（Ultraviolet Light）侧写入技术，开创了光纤光栅实用化的新纪元，使得光纤传感器开始走向实用化、商业化；到了20世纪90年代，更多的光纤传感器（FOS）在不断的商业化，一般比较常见的有压力应力传感器、液体流量传感器、温度湿度传感器、电流电压传感器、化学传感器等等。光纤传感器（FOS）应用原理光纤传感器一般由光源、光导纤维、光传感器元件、光调制机构和信号处理器等部分组成。其工作原理是：光源发出的光经光导纤维进入光传感元件，而在光传感元件中受到周围环境场的影响而发生变化的光再进入光调制机构，由其将传感元件测量检测的参数调制成幅度、相伴、偏振等信息，这一过程也称为光电转换过程，最后利用微处理器如频谱仪等等进行信号处理。其结构如下图1所示：信号输出电信号光纤光源传感头光电转换信号处理被测量图1 光纤传感器的结构图如前所述可以看出光纤传感器的传感机理表面上与电磁类传感器有着相似的思路，只不过电磁类传感器的电线或者测量空间的信息传播载体是电磁波而光导纤维中的载体是光波，然而也正是由于光波不同于电磁波的独特性质使其具有以下几个突出的优点：利用不导电的玻璃纤维制成，其信息传播载体是光子而不是电子，故无电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）的影响，可在各种电磁场复杂的环境中不受影响的工作；有较大的灵活性，可制成各种形状，并可用于各种危险、恶劣环境和探测微细变化；其光信号不仅能直接感知，而且可与高度发展的电子装置相匹配，帮助其实现智能化、多功能化和远距离的实时监控。光纤传感器有三种分类方法：1、按光纤与光的作用机理分，可分为本征型和非本征型，前者是利用光纤直接与环境中的光相互作用来调制光信号，适用于测量转速、加速度、声源、压力和振动等；后者则是将光纤作为传送和接收光的通道，然后在光纤外部调制光信号，适用于测量纯属和角度位置、温度、液位及过程控制中的流量等。2、按光纤内传输的模式数量分，可分为单模器件和多模器件。前者的纤芯很细，能大大降低信号的失真和损失程度；后者能传输更多的光，但由于具有多个通道，并对入射光的散射点数和存在模式色散，所以损失的信号较多，信号的失真也较严重。3、按信号在光纤中被调制的不同方式分，还可将光纤传感器分为强度调制、相伴调制、偏振态调制、频率调制和波长调制等多种不同类型。光纤传感器（FOS）的应用光纤传感器的应用范围很广，尤其适用于恶劣环境，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。我们从以下几个侧面来看FOS的强抗干扰性的特点在各个领域中的应用：1、我国使用高温传感器每年要消耗几十亿元。传统使用铅佬丝热电偶来测量高温，寿命短，成本高，而且在工业生产中需要停产来更换热电偶，严重影响了生产。20世纪80年代，美国提出使用的蓝宝石光纤来制备高温传感器，具有测温范围广、精度高及响应速度快等优点，然而由于其价格昂贵，只能应用于特殊场合。因此，目前这阶段研究和开发测量精度高、性能稳定、成本低的光纤高温传感器具有极大的市场需求。在蓝宝石光纤的一端涂覆高发射率的感温介质薄层并经高温烧结形成一微型的光纤感温腔(热传感头)（图略）。2、在电力系统，需要测定温度、电流等参数,由于传统的电磁类传感器易受强电磁场的干扰，无法在这些场合中使用，故现阶段最好的办法还是用光纤传感器来进行监测。另外目前防雷抗干扰已经成为我国大坝、大桥安全监测自动化中最为棘手的问题，而光纤传感器集信息传输和传感于一体，易与网络连接，进行长期的实时的观测，再加上其耐高温、抗腐蚀等特征，使得FOS在这方面有着很大的应用前景。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、一氧化碳等气体的场所，采用电磁类传感器不但达不到要求的精度，而且易引起安全事故。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。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。结束语综上所述，光纤传感器（FOS）作为一种在各领域中都具有明显的传感测量优势的新型传感器，不仅在高新尖端领域中得到应用，而且也在传统工业领域中被迅速推广，FOS以其本身不同的结构、不同的原理、不同的测量变量、不同的检测机理来满足不同的被测对象。尽管FOS有着这样那样的优势所在，并且已有一些FOS成功地实现商业化，然而由于其刚起步，很多技术仍不成熟和完善，离大规模商业化还有不小的距离，仍面临与传统成熟技术传感器的激烈竞争。因此只有不断地深入研究和发展，FOS才会得到更广泛的应用，实现更成功的商业化。光纤原理：光纤实际是指由透明材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料做成的包层，并将射入纤芯的光信号，经包层界面反射，使光信号在纤芯中传播前进的媒体。一般是由纤芯、包层和涂敷层构成的多层介质结构的对称圆柱体。光纤有两项主要特性：即损耗和色散。光纤每单位长度的损耗或者衰减（dB/km），关系到光纤通信系统传输距离的长短和中继站间隔的距离的选择。光纤的色散反应时延畸变或脉冲展宽，对于数字信号传输尤为重要。每单位长度的脉冲展宽（ns/km），影响到一定传输距离和信息传输容量。光纤的结构：光纤的结构：纤芯材料的主体是二氧化硅，里面掺极微量的其他材料，例如二氧化锗、五氧化二磷等。掺杂的作用是提高材料的光折射率。纤芯直径约575m。光纤外面有包层，包层有一层、二层（内包层、外包层）或多层（称为多层结构），但是总直径在100200m上下。包层的材料一般用纯二氧化硅，也有掺极微量的三氧化二硼，最新的方法是掺微量的氟，就是在纯二氧化硅里掺极少量的四氟化硅。掺杂的作用是降低材料的光折射率。这样，光纤纤芯的折射率略高于包层的折射率。两者席位的区别，保证光主要限制在纤芯里进行传输。包层外面还要涂一种涂料，可用硅铜或丙烯酸盐。涂料的作用是保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。光纤的最外层是套层，它是一种塑料管，也是起保护作用的，不同颜色的塑料管还可以用来区别各条光纤。光纤的折射率：光纤的结构一般用折射率沿光纤径向的分布函数来表征，这种分布函数成为光纤的折射率刨面。在圆柱坐标系（l、z）中n（l）来表示。在理论分析中，折射率剖面n(r)就是光纤的数学模型：对于单包层光纤，纤芯直径为d，设纤芯轴心处的折射率n(0)=n1，包层折射率为n2,为了简略地表示的剖面特征，引入纤芯包层相对折射率差作为剖面参数，其中定义为n1 2 n22 n1 n2 = 2 n1 2 n1射线理论认为，光在光纤中传播主要是依据全反射原理。因此，典型的阶越光纤是由折射率（n1）稍高的纤芯和折射率（n2）稍低的包层构成。纤芯和包层之间有良好的光学界面。 若光线以某一角度进入光线端面时，入射光线与光线轴线之间的夹角0称为光线端面入射角；光线进入光纤后又射到纤芯和包层之间的界面上，形成包层界面入射角，如图（a）所示。图中，光线垂直光线端面射入，并与光纤轴心线重合时，光线沿轴心线向前传播。由于12，所以包层界面有一个全反射的临界角c，与其相对应的光线端面有一个临界入射角a。如果端面入射角0a，如图（）中的光线进入光纤后，当射到光纤的内包层界面时，入射角c，满足全反射条件，光线将在纤芯和包层的界面上不断的产生全反射而向前传播。一般，这种光线在光纤内需经过几千、几万、甚至更多次的全反射，（全反射次数与光纤长度、直径有关），才能从光纤的一段传到另一端。光线、的特点是光在光纤中传播路径始终在同一平面内，这种光线称为受到光线；在纤维光学中又称为子午光线。子无光的是平面曲线，包含子午光线的面称为子无面。另一种光线不在一个平面内，不经过光的轴心线。当入射光纤后碰到边界时，作内部全反射，如图（）中光线所示。这类光线运动范围是在边界和有虚线所示的焦散面之间。光线在断面上的投影为折线。光线称为斜光线，它是一空间曲线，除子午线和斜光线外，还有一种不受到光线，它不能在光纤中传播，射线理论无法解释这种光线。光纤的分类光纤正处在新产品的不断涌现的发展时期，种类不断增多，而且千变万化。近年来用于传感器的特殊光纤发展尤迅速。目前一般分类方法如下：1 按制作材料分：（1） 高纯度石英玻璃光纤。这种材料损耗低，在波长时，最低达0。47db/km。用锗硅材料作芯子，硼硅材料作包层的多模光纤，损耗最低为0.5db/km和类似的损耗-波谱曲线。采用三元化合材料，可能获得最好的损耗-波谱曲线。（2） 多组分玻璃光纤。通常用更常规的玻璃制成，损耗也很低，如Sodium-borosilica-te玻璃光纤在l=0.84微米最低损耗为3.4db/km。（3） 塑料光纤。它与石英光纤相比具有重量轻，成本低，柔软性好，加工方便等特点，但损耗在r=0.63微米到100-200db/km。2 按传输模分：（1） 单模光纤。单模光纤纤芯直径仅几个厘米，加包层和涂敷层后也仅几十个微米到125微米。纤芯直径接近波长。（2） 多模光纤。多模光纤纤芯直径有50微米，加包层和涂敷层有50微米。纤芯直径远远大于波长。根据光纤的折射率沿径向分布函数不同又进一步分为多模阶跃光纤，单模阶跃光纤和多模梯度光纤3 按用途分：（1） 通信光纤。（2） 非通信光纤-特殊光纤。有低双折射光纤，高双折射光纤，涂层光纤，液芯光纤，激光光纤和红外光纤等。4 按制作方法分：（1） 化学气相沉积法（CVD）或改进化学气相沉积法（MCVD）。用来制作高纯度石英玻璃光纤。（2） 双坩埚法或三坩埚法。用来制作多组分玻璃光纤。光纤技术的应用光纤传感技术是伴随着光通讯技术和半导体技术发展而衍生的一种新的传感技术，是光传感、光通讯、电子技术互相交叉、互相渗透的高科技技术，是国家“十五”重点支持发展的信息产业的重要组成部分。因此光纤技术在很多方面都有很大的应用，现简单介绍如下：一、光纤液位传感器在我国石油化工、冶金以及国防等部门，对油品和化工产品等易燃易爆液体类物质的储存、检测和安全管理一直是个难题。长期以来，大多企业是采用人工对其进行检测和管理，劳动强度大，又有危险性，储罐爆炸事件和人员伤亡事故时有发生。光纤液位传感器某检测湘度高，使用方便、稳定可靠，特别是采用光纤光缆采集和传输信号，做到现场无电检侧，本质安全防爆，特别适于易燃易爆场所的储罐检测。即将投产的光纤液位传感器价调查和分析表明，目前全国年需求量应在1万台以上，而1日市场需求仍在快鹏长如。二、接入网技术所谓光接入网（OAN）就是采用光纤传输技术的接入网，泛指本地交换机或远端模块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的系统。通常，OAN指采用基带数字传输技术并以传输双向交互式业务为目的的接入传输系统，将来应能以数字或模拟技术升级传输宽带广播式和交互式业务。光纤的应用还有：光纤高温测量仪、光纤阀位回讯器等。附：查找资料：王婧、魏铮、张淇、史实。资料整理：张淇、史实。答辩人：魏铮、王婧。班级：计算机01、1班