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(shè)計(jì)對(duì)于傳感領(lǐng)域的科技創(chuàng)新及技術(shù)進(jìn)步具有十分重要的意義，研制結(jié)構(gòu)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(biāo)。微結(jié)構(gòu)光纖及其光柵的出現(xiàn)為新一代光纖傳感器的設(shè)計(jì)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(jìn)型新一代D型光纖消逝場(chǎng)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(yīng)時(shí)間快，靈敏度高，實(shí)時(shí)性好，這些新型的傳感器代表了當(dāng)今傳感器的研究方向。關(guān)鍵詞：微結(jié)構(gòu)光纖；光纖電流傳感器；光纖消逝場(chǎng)傳感器；微納光纖琺珀傳感器引言：近年來(lái)，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過(guò)程中，光纖傳感器這個(gè)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(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能；絕緣、無(wú)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(dá)不到的地方(如高溫區(qū))，或者對(duì)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(shè)計(jì)對(duì)于傳感領(lǐng)域的科技創(chuàng)新及技術(shù)進(jìn)步具有十分重要的意義，研制結(jié)構(gòu)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(biāo)。1970年低損耗光纖的研制成功，極大地改變了傳感器的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般稱之為常規(guī)光纖(GeneralOpticalFiber，GOF)。GOF的特點(diǎn)是纖芯折射率高于包層折射率，光波以全內(nèi)反射方式在光纖中傳輸。在 GOF中，通過(guò)物理的或化學(xué)的方式，可以沿纖芯軸向引入周期性的結(jié)構(gòu)變化，即光纖光柵 (GeneralOpticalFiberGrating，GOFG)。自1989年紫外側(cè)寫光纖光柵技術(shù)發(fā)明以來(lái)，布喇格、長(zhǎng)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(zhì)的傳感器的設(shè)計(jì)和研制，迅速成為新型光纖傳感器的研究熱點(diǎn)。當(dāng)前，GOF的結(jié)構(gòu)已經(jīng)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(jié)構(gòu)。1996年出現(xiàn)的帶有空氣孔結(jié)構(gòu)的光纖，使光纖的微結(jié)構(gòu)化成為可能。微結(jié)構(gòu)光纖(MicrostructureOpticalFiber，MOF)是一種新型波導(dǎo)，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(jié)構(gòu)。與GOF相比，由于引進(jìn)了微結(jié)構(gòu)，使MOF具有獨(dú)特的光學(xué)特性：如極寬單模傳輸、高非線性、大模場(chǎng)面積、可控色散等。與 GOF光柵相類似，采用紫外側(cè)寫技術(shù)或CO2熱激技術(shù)，也可以在MOF中寫制光柵，即微結(jié)構(gòu)光纖光柵(MicrostructureOpticalFiberGrating，MOFG)。布喇格和長(zhǎng)周期微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和光學(xué)特性。改變 MOF中的微孔排列、大小以及占空比，雙芯或多芯設(shè)計(jì)，或者將特殊介質(zhì)載入微孔，均可改變微結(jié)構(gòu)光纖及其光柵的光學(xué)性質(zhì)，獲得優(yōu)于GOF及GOFG的傳感特性。因此，微結(jié)構(gòu)光纖及其光柵的出現(xiàn)為新一代光纖傳感器的設(shè)計(jì)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(cè)技術(shù)構(gòu)成電流互感器對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量。電流互感器工作原理和光纖檢測(cè)技術(shù)對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量的。系統(tǒng)的整體工作思路是以電流熱效應(yīng)為基礎(chǔ)的，整個(gè)電流的檢測(cè)過(guò)程可以概況為：被測(cè)電流變化一熱量變化一溫度變化一熒光衰減時(shí)間變化一光纖信息傳輸一光電轉(zhuǎn)換一信號(hào)處理。圖1新一代光纖電流傳感器原理示意圖根據(jù)以電流熱效應(yīng)為基礎(chǔ)的整體設(shè)計(jì)思路，把高壓側(cè)的一次電流轉(zhuǎn)化為低壓側(cè)的二次電流，二次電流通過(guò)電流一溫度轉(zhuǎn)化單元，即利用薄膜電阻作為電流一溫度轉(zhuǎn)化器件，通過(guò)測(cè)量薄膜電阻的溫升間接達(dá)到測(cè)量電流的目的。對(duì)溫度的測(cè)量是通過(guò)熒光光纖測(cè)量溫度的方法來(lái)完成的。熒光材料受激勵(lì)光的激發(fā)產(chǎn)生熒光，當(dāng)激勵(lì)脈沖消失時(shí)，熒光材料由于自身的特點(diǎn)產(chǎn)生余輝，余輝衰減時(shí)間是溫度的函數(shù)，把余輝衰減信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大電路傳輸?shù)絇C機(jī)上，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析就可以間接得到被測(cè)的溫度，進(jìn)而對(duì)被測(cè)電流進(jìn)行測(cè)量。在本系統(tǒng)中，薄膜電阻是電熱轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵器件，二次電流通過(guò)薄膜電阻產(chǎn)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(duì)應(yīng)關(guān)系，用光纖測(cè)溫法可以測(cè)得薄膜電阻的溫度，重點(diǎn)研究的是薄膜電阻溫度和二次電流的關(guān)系。本文突破了傳統(tǒng)的光纖電流傳感器測(cè)量電流的方法，系統(tǒng)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(hào)加載到電熱器件上，通過(guò)對(duì)電熱器件的溫升測(cè)量達(dá)到間接測(cè)量電流的目的。用ANSYS仿真軟件研究了關(guān)鍵器件薄膜電阻的熱穩(wěn)定性。根據(jù)薄膜電阻器的結(jié)構(gòu)和實(shí)際的測(cè)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(duì)其進(jìn)行了熱分析，得到了裝置的溫度場(chǎng)分布。3新一代D型光纖消逝場(chǎng)傳感器光在光纖中傳播時(shí)，會(huì)在芯層和包層的界面上形成消逝場(chǎng)。光纖中由于包層為非吸收介質(zhì)，不會(huì)引起光纖中傳輸能量的減少。當(dāng)把光纖研磨成 D形后，光纖上面的包層被除掉，消逝場(chǎng)會(huì)與被測(cè)物質(zhì)發(fā)生作用而引起能量的吸收，反映為光纖輸出光強(qiáng)的減少。通過(guò)檢測(cè)光纖輸出光強(qiáng)的大小就可以反推出被測(cè)物質(zhì)溶液濃度的大小，這就是傳感器的作用機(jī)理。dp是消逝場(chǎng)的穿透深度，定義為當(dāng)能量場(chǎng)的強(qiáng)度下降到1eE0時(shí)，場(chǎng)點(diǎn)到界面的距離。公式表達(dá)如下：式中：入是光在真空中傳播時(shí)的波長(zhǎng)；n1為光纖纖芯的折射率；n2為被測(cè)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(yù)留了很薄的一部分包層，厚度dz要求小于消逝場(chǎng)的穿透深度，消逝場(chǎng)能量可以穿過(guò)這部分殘留的光纖包層與被測(cè)物質(zhì)接觸引起能量的吸收，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳感器的探測(cè)。因許多物質(zhì)的測(cè)量都是在其水溶液中進(jìn)行的，其折射率一般較光纖纖芯折射率小很多，特別是當(dāng)該物質(zhì)的濃度很低的時(shí)候更是明顯，造成被測(cè)溶液與纖芯的折射率差△很大。通過(guò)預(yù)留一層光纖包層可以達(dá)到折射率的匹配，形成弱導(dǎo)條件，降低光纖中的波導(dǎo)模式的數(shù)量，激發(fā)出更多的消逝場(chǎng)能量，并提高消逝場(chǎng)能量的穿透深度。但當(dāng)能量在穿透包層待測(cè)物質(zhì)滲透時(shí)，會(huì)發(fā)生波導(dǎo)間能量的耦合，有一部分能量會(huì)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(guān)，dz越小靈敏度越高。（a）改進(jìn)前的D型光纖傳感器結(jié)構(gòu) （b）改進(jìn)前的D型光纖傳感器結(jié)構(gòu)圖2D型光纖傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)比以往制作D形光纖，多先加工出D形結(jié)構(gòu)的光纖預(yù)制棒，然后通過(guò)光纖拉絲機(jī)拉制成纖細(xì)的D形光纖，也有部分學(xué)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(jī)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(jìn)行研磨。用此法制得的 D形光纖表面質(zhì)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(xué)通信學(xué)院光纖技術(shù)研究中心饒?jiān)平淌趫F(tuán)隊(duì)首次在國(guó)際上應(yīng)用157nm和飛秒激光微加工技術(shù)制作出新一代微納光纖琺珀傳感器。該項(xiàng)工作作為國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“新一代微納光纖傳感器基礎(chǔ)研究”的一部分，在今年的中期評(píng)估中獲得了相關(guān)專家的高度評(píng)價(jià)。該技術(shù)有助于研制出目前世界上體積最小、光學(xué)性能最好、工作溫度最高（800°C）的微光纖在線琺珀應(yīng)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(zhǎng)期以來(lái)存在的高溫下應(yīng)變精確測(cè)量的世界性難題。與傳統(tǒng)手工制作方法相比，利用激光微加工技術(shù)制作光纖琺珀腔具有方法簡(jiǎn)單、一次成型、能夠?qū)崿F(xiàn)光纖琺珀腔的高質(zhì)量批量制造等突出優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。新一代傳感器的設(shè)計(jì)對(duì)于傳感領(lǐng)域的科技創(chuàng)新及技術(shù)進(jìn)步具有十分重要的意義，研制結(jié)構(gòu)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(biāo)。微結(jié)構(gòu)光纖及其光柵的出現(xiàn)為新一代光纖傳感器的設(shè)計(jì)與研制提供了廣闊的創(chuàng)造空間。光纖的結(jié)構(gòu)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(chǎn)生，并增加光能量的傳輸。隨著光纖通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了DFF（色散平坦光纖）。為了DWDM系統(tǒng)能夠在盡可能寬的可用波段上進(jìn)行波分復(fù)用，各個(gè)公司都致力于消除OH-吸收峰，已開(kāi)發(fā)出的“無(wú)水峰光纖”，可實(shí)現(xiàn)1350nm?1450nm第五窗口的實(shí)際應(yīng)用。為了適應(yīng)相十通信系統(tǒng)的要求，已經(jīng)研制出了“熊貓”型、“蝴蝶結(jié)”型和“扁平”型的高雙折射保偏光