光纖傳感器的應(yīng)用與展望

1、光纖傳感器的應(yīng)用與展望 近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質(zhì)軟、重量輕的機械性能；絕緣、無感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達不到的地方（如高溫區(qū)），或者對人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。在農(nóng)業(yè)、軍事、航空領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用。1. 光纖傳感器的種類光纖傳感器可以分為兩大類：一類是功能型（傳感型）傳感器; 另一類是非功能型（傳光型）傳感器。按光在

2、光纖中被調(diào)制的原理不同，光纖傳感器可分為：強度調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型、頻率調(diào)制型、波長調(diào)制型等。迄令為止，光纖傳感器能夠測定的物理量已達七十多種。1.1功能型（傳感型）傳感器功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件, 被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M行調(diào)制, 使傳輸?shù)墓獾膹姸?、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化, 再通過對被調(diào)制過的信號進行解調(diào), 從而得出被測信號。光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制，多采用多模光纖。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。缺點：須用特殊光纖，成本高，典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。1.2非功能型（傳光型）傳感器非功能型傳感器是利用

3、其它敏感元件感受被測量的變化, 光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)，常采用單模光纖。光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測量調(diào)制。優(yōu)點：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)；比較容易實現(xiàn)，成本低。缺點：靈敏度較低。2. 光纖傳感器的原理光纖傳感器由光源、入射光纖、出射光纖、光調(diào)制器、光探測器以及解調(diào)制器組成。其基本原理是將光源的光經(jīng)入射光纖送人調(diào)制區(qū)，光在調(diào)制區(qū)內(nèi)與外界被測參數(shù)相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)(如強度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等)發(fā)生變化而成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)出射光纖送入光探測器、解調(diào)器而獲得被測參數(shù)。3. 光纖傳感器的特點（1） 靈敏度較高。（2） 幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成

4、各種形狀的光纖傳感器。（3） 可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件。（4） 可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境。（5） 而且具有與光纖遙測技術(shù)的內(nèi)在相容性。4. 光纖傳感器的應(yīng)用正是因為光纖傳感器比傳統(tǒng)的傳感器有許多優(yōu)越的功能，使得其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。4.1 光纖傳感器在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用4.1.1 光纖傳感器在培育良種方面的應(yīng)用 種子是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的第一環(huán)節(jié)，監(jiān)測育種環(huán)境對培育優(yōu)良品種具有舉足輕重的作用。采用光纖溫度傳感器、光纖濕度傳感器能夠?qū)崟r獲取育種環(huán)境中的溫濕度情況，再輔以自動控制調(diào)溫調(diào)濕系統(tǒng)就能使育種環(huán)境達到最佳狀態(tài)，從而培育優(yōu)質(zhì)良種。4.1.2 光纖傳

5、感器在農(nóng)田水利系統(tǒng)中的應(yīng)用 較大的農(nóng)田水利設(shè)施如高架水渠等可以采用光纖光柵裂縫傳感器等監(jiān)測水渠的健康情況。另外埋人地下的管道可以通過光纖流量傳感器來監(jiān)測水流的通暢狀況。4.1.3光纖傳感器在農(nóng)業(yè)種植方面的應(yīng)用 大棚種植基地對種植環(huán)境的良好控制是獲得較高效益的前提條件。光纖溫度傳感器可以幫助控制溫度，而光纖濕度傳感器則可以幫助調(diào)控濕度；另外光纖二氧化碳傳感器則可以有效地監(jiān)測二氧化碳的濃度，以保證農(nóng)作物能進行最佳光合作用。4.1.4光纖傳感器在農(nóng)產(chǎn)品儲藏方面的應(yīng)用 農(nóng)產(chǎn)品在儲藏過程中需要大量傳感器。以糧倉為例，可利用光纖溫度傳感器及光纖濕度傳感器來獲取糧倉的環(huán)境信息來指導(dǎo)通風(fēng)翻曬等作業(yè)。對水果、蔬

6、菜等的儲藏需要相應(yīng)的光纖氣體傳感器來測量乙烯、氧、二氧化碳、氨、氟利昂等氣體的濃度。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的自動化對于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率，提高單位面積農(nóng)作物的產(chǎn)量以及農(nóng)產(chǎn)品的儲藏都具有明顯的積極意義。光纖傳感器具有的高靈敏度、強抗干擾性、耐腐蝕以及施工方便等優(yōu)良性能使其在農(nóng)業(yè)的應(yīng)用具有廣闊的前景。42光纖傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用醫(yī)用光纖傳感器目前主要是傳光型的。以其小巧、絕緣、不受射頻和微波干擾、測量精度高及與生物體親合性好等優(yōu)點備受重視。本文將主要介紹傳光光纖在壓力測量、血流速度測量、pH值測量三個方面的應(yīng)用。此外，它還可以應(yīng)用于測量溫度和醫(yī)用圖像傳輸上面。4.2.1壓力測量目前臨床上應(yīng)用的壓力傳

7、感器主要用來測量血管內(nèi)的血壓、顱內(nèi)壓、心內(nèi)壓、膀胱和尿道壓力等。傳感器感知變化通過光纖傳到另一端的光電探測器變成電信號，這樣通過電壓的變化便可知探針處的壓力大小。4.2.2 PH值測量用來測定活體組織和血液值pH光纖光譜傳感器示意圖，如圖5所示。其工作原理是利用發(fā)射光、透射光的強度隨波長的分布光譜來進行測量。這種傳感器將兩根光纖插入可透過離子的纖維素膜盒中膜盒內(nèi)裝有試劑，當把針頭插入組織或血管后，體液滲入試劑，導(dǎo)致試劑吸收某種波長的光用光譜分析儀測出此種變化，即可求得血液或組織的pH值13。4.3 光纖傳感器在軍事上的應(yīng)用在面向21世紀的今天，美國國防部已把“光子學(xué)、光電子學(xué)”和“點對點通信”

8、 列為2010年十大國防技術(shù)中的兩項。其中光纖技術(shù)占據(jù)著舉足輕重的地位。這預(yù)示著美國等西方國家對光纖技術(shù)軍事應(yīng)用的研究將全面展開并加速進行。而各項先期應(yīng)用及演示、驗證表明。21世紀的軍事通信和武器裝備離開了光纖技術(shù)將無“現(xiàn)代化”或 “先進”可言，在未來戰(zhàn)爭中將處于被動挨打的局面。4.3.1光纖技術(shù)在雷達和微波系統(tǒng)的應(yīng)用由于光纖傳輸損耗低、頻帶寬等固有的優(yōu)點，光纖在雷達系統(tǒng)的應(yīng)用首先用于連接雷達天線和雷達控制中心，從而可使兩者的距離從原來用同軸電纜時的300m以內(nèi)擴大到25 km。用光纖作傳輸媒體，其頻帶可覆蓋X波段（812.4GHz）或Ku波段（12.418GHZ）。4.3.2光纖系繩武器光纖

9、遙控戰(zhàn)車（T OV）是用一根光纜系留到基地站拖車上的高機動性多用途輪式車輛，可將各種偵察裝置、傳感器及武器送到危險戰(zhàn)區(qū)，執(zhí)行諸如偵察、探雷、排雷、清除障礙和彈藥補給等任務(wù)，車速可達3.5kmh，操作距離達1530km。4.3.3光纖制導(dǎo)魚雷與光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈一樣，光纖制導(dǎo)魚雷能大大改善魚雷的攻擊性能。 美國海軍海洋系統(tǒng)中心試驗的光纖制導(dǎo)魚雷，制導(dǎo)距離5km，速度18節(jié)（33km h），進一步的試驗將達70節(jié)（130km/h），射程則將擴大到100km。其關(guān)鍵是光纜及其放線技術(shù)和先進的光纖水聽器，法國也進行了成功的光纖制導(dǎo)魚雷的試驗，制導(dǎo)距離達到了20km。4.3.4艦載高速光纖網(wǎng)由于現(xiàn)代化的艦艇裝備有大量的通信、雷達、導(dǎo)航、傳感器系統(tǒng)和武器指揮系統(tǒng)等電子設(shè)備，加上其它電氣設(shè)備，因此造成了嚴重的電磁干擾、射頻干擾等問題，為此，彈道導(dǎo)彈潛艇中裝備光纖數(shù)據(jù)總線，將傳感器與火控系統(tǒng)接入分布式計算機網(wǎng)，從而大大提高潛艇的數(shù)據(jù)處理能力及抗干擾能力。5. 結(jié)語隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)業(yè)工業(yè)的生產(chǎn)離不開傳感器的應(yīng)用。而我國國際地位的提高，促使我國在軍事航空領(lǐng)域占領(lǐng)優(yōu)先地位的目標不可動搖，傳感器的市場需求和發(fā)展空間具有巨大潛力。由于我國目前光纖傳感器的產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用方面還遠不能滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的需求，因此加快和促進光纖傳感器的商品化、產(chǎn)業(yè)化進