新一代光纖傳感器

新一代光纖傳感器摘要：新一代傳感器的設計對于傳感領域的科技創(chuàng)新及技術進步具有十分重要的意義，研制結構新穎、功能優(yōu)異的傳感器一直是科研人員和企業(yè)人士的追求目標。微結構光纖及其光柵的出現為新一代光纖傳感器的設計與研制提供了廣闊的創(chuàng)造空間。新型光纖電流傳感器、改進型新一代D型光纖消逝場傳感器、新一代微納光纖琺珀傳感器等新型的光纖傳感器反應時間快，靈敏度高，實時性好，這些新型的傳感器代表了當今傳感器的研究方向。關鍵詞：微結構光纖；光纖電流傳感器；光纖消逝場傳感器；微納光纖琺珀傳感器引言：近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應性強、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、質軟、重量輕的機械性能；絕緣、無感應的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等，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。1新型光纖傳感器概述新一代傳感器的設計對于傳感領域的科技創(chuàng)新及技術進步具有十分重要的意義，研制結構新穎、功能優(yōu)異的傳感器一直是科研人員和企業(yè)人士的追求目標。1970年低損耗光纖的研制成功，極大地改變了傳感器的設計方式，并以其具有的高靈敏度、寬頻帶、抗電磁干擾、柔韌靈巧、易埋植和貼敷等優(yōu)良特性，使光纖傳感器迅速成為傳感器家族的新貴。這種低損耗光纖由纖芯、包層、涂覆層組成，因其結構簡單，一般稱之為常規(guī)光纖(GeneralOpticalFiber，GOF)。GOF的特點是纖芯折射率高于包層折射率，光波以全內反射方式在光纖中傳輸。在 GOF中，通過物理的或化學的方式，可以沿纖芯軸向引入周期性的結構變化，即光纖光柵 (GeneralOpticalFiberGrating，GOFG)。自1989年紫外側寫光纖光柵技術發(fā)明以來，布喇格、長周期等諸多類型的光纖光柵相繼寫制成功，以光纖光柵為基質的傳感器的設計和研制，迅速成為新型光纖傳感器的研究熱點。當前，GOF的結構已經發(fā)生變革，人們憑借超凡的想象力，在 GOF中引入了多種微結構。1996年出現的帶有空氣孔結構的光纖，使光纖的微結構化成為可能。微結構光纖(MicrostructureOpticalFiber，MOF)是一種新型波導，又稱多孔光纖(HoleyFiber，HF)或光子品體光纖(PhotonicCrystalFiber，PCF)。MOF沿軸向均勻排列著微孔，端面存在周期性的二維結構。與GOF相比，由于引進了微結構，使MOF具有獨特的光學特性：如極寬單模傳輸、高非線性、大模場面積、可控色散等。與 GOF光柵相類似，采用紫外側寫技術或CO2熱激技術，也可以在MOF中寫制光柵，即微結構光纖光柵(MicrostructureOpticalFiberGrating，MOFG)。布喇格和長周期微結構光纖光柵的首次寫制完成于 1999年，MOFG具有比GO2FG更為豐富的結構和光學特性。改變 MOF中的微孔排列、大小以及占空比，雙芯或多芯設計，或者將特殊介質載入微孔，均可改變微結構光纖及其光柵的光學性質，獲得優(yōu)于GOF及GOFG的傳感特性。因此，微結構光纖及其光柵的出現為新一代光纖傳感器的設計與研制提供了廣闊的創(chuàng)造空間。2新一代光纖電流傳感器新一代光纖電流傳感器主要是用光纖檢測技術構成電流互感器對電流進行測量。電流互感器工作原理和光纖檢測技術對電流進行測量的。系統的整體工作思路是以電流熱效應為基礎的，整個電流的檢測過程可以概況為：被測電流變化一熱量變化一溫度變化一熒光衰減時間變化一光纖信息傳輸一光電轉換一信號處理。圖1新一代光纖電流傳感器原理示意圖根據以電流熱效應為基礎的整體設計思路，把高壓側的一次電流轉化為低壓側的二次電流，二次電流通過電流一溫度轉化單元，即利用薄膜電阻作為電流一溫度轉化器件，通過測量薄膜電阻的溫升間接達到測量電流的目的。對溫度的測量是通過熒光光纖測量溫度的方法來完成的。熒光材料受激勵光的激發(fā)產生熒光，當激勵脈沖消失時，熒光材料由于自身的特點產生余輝，余輝衰減時間是溫度的函數，把余輝衰減信號經過光電轉換和信號放大電路傳輸到PC機上，對采集到的數據進行分析就可以間接得到被測的溫度，進而對被測電流進行測量。在本系統中，薄膜電阻是電熱轉化的關鍵器件，二次電流通過薄膜電阻產生一定的熱功率，并使薄膜電阻溫度升高。薄膜電阻溫度的變化和二次電流的大小有一定的對應關系，用光纖測溫法可以測得薄膜電阻的溫度，重點研究的是薄膜電阻溫度和二次電流的關系。本文突破了傳統的光纖電流傳感器測量電流的方法，系統以帶氣隙的鐵心線圈作為高壓電部分的電流傳感器，并把傳感出的小電流信號加載到電熱器件上，通過對電熱器件的溫升測量達到間接測量電流的目的。用ANSYS仿真軟件研究了關鍵器件薄膜電阻的熱穩(wěn)定性。根據薄膜電阻器的結構和實際的測試條件，利用有限元軟件ANSYS建立了薄膜電阻器的三維模型，并對其進行了熱分析，得到了裝置的溫度場分布。3新一代D型光纖消逝場傳感器光在光纖中傳播時，會在芯層和包層的界面上形成消逝場。光纖中由于包層為非吸收介質，不會引起光纖中傳輸能量的減少。當把光纖研磨成 D形后，光纖上面的包層被除掉，消逝場會與被測物質發(fā)生作用而引起能量的吸收，反映為光纖輸出光強的減少。通過檢測光纖輸出光強的大小就可以反推出被測物質溶液濃度的大小，這就是傳感器的作用機理。dp是消逝場的穿透深度，定義為當能量場的強度下降到1eE0時，場點到界面的距離。公式表達如下：式中：入是光在真空中傳播時的波長；n1為光纖纖芯的折射率；n2為被測物溶液的折射率；0為光線的入射角。B.Culshaw、G.Stewart等人制作的傳感器預留了很薄的一部分包層，厚度dz要求小于消逝場的穿透深度，消逝場能量可以穿過這部分殘留的光纖包層與被測物質接觸引起能量的吸收，進而實現傳感器的探測。因許多物質的測量都是在其水溶液中進行的，其折射率一般較光纖纖芯折射率小很多，特別是當該物質的濃度很低的時候更是明顯，造成被測溶液與纖芯的折射率差△很大。通過預留一層光纖包層可以達到折射率的匹配，形成弱導條件，降低光纖中的波導模式的數量，激發(fā)出更多的消逝場能量，并提高消逝場能量的穿透深度。但當能量在穿透包層待測物質滲透時，會發(fā)生波導間能量的耦合，有一部分能量會被限制在光纖包層中。分析證明傳感器的靈敏度與dz的大小密切相關，dz越小靈敏度越高。（a）改進前的D型光纖傳感器結構 （b）改進前的D型光纖傳感器結構圖2D型光纖傳感器結構對比以往制作D形光纖，多先加工出D形結構的光纖預制棒，然后通過光纖拉絲機拉制成纖細的D形光纖，也有部分學者使用氫氟酸腐蝕光纖制作D形光纖。這里采用了一種基于機械研磨的新型加工辦法，將光纖洗凈，晾十，固定到研磨夾具上，粘牢后進行研磨。用此法制得的 D形光纖表面質量可控，方便易行。4新一代微納光纖琺珀傳感器近日，電子科技大學通信學院光纖技術研究中心饒云江教授團隊首次在國際上應用157nm和飛秒激光微加工技術制作出新一代微納光纖琺珀傳感器。該項工作作為國家自然科學基金重點項目“新一代微納光纖傳感器基礎研究”的一部分，在今年的中期評估中獲得了相關專家的高度評價。該技術有助于研制出目前世界上體積最小、光學性能最好、工作溫度最高（800°C）的微光纖在線琺珀應變傳感器，可望在航空航天、能源工業(yè)等環(huán)境十分惡劣的極端條件下使用，從而解決長期以來存在的高溫下應變精確測量的世界性難題。與傳統手工制作方法相比，利用激光微加工技術制作光纖琺珀腔具有方法簡單、一次成型、能夠實現光纖琺珀腔的高質量批量制造等突出優(yōu)點，具有很好的應用前景。新一代傳感器的設計對于傳感領域的科技創(chuàng)新及技術進步具有十分重要的意義，研制結構新穎、功能優(yōu)異的傳感器一直是科研人員和企業(yè)人士的追求目標。微結構光纖及其光柵的出現為新一代光纖傳感器的設計與研制提供了廣闊的創(chuàng)造空間。光纖的結構決定了光纖的傳輸性能，合理的折射率分布可以減少光的衰減和色散的產生，并增加光能量的傳輸。隨著光纖通信系統的迅速發(fā)展，出現了DFF（色散平坦光纖）。為了DWDM系統能夠在盡可能寬的可用波段上進行波分復用，各個公司都致力于消除OH-吸收峰，已開發(fā)出的“無水峰光纖”，可實現1350nm?1450nm第五窗口的實際應用。為了適應相十通信系統的要求，已經研制出了“熊貓”型、“蝴蝶結”型和“扁平”型的高雙折射保偏光