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功能型光纤传感器发展现状分析

导读: 近年来,传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中,光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。本文介绍了功能型传感器的应用现状。

  功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,被测量对光纤内传输的光进行调制,使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化,再通过对被调制过的信号进行解调,从而得出被测信号。

  光纤在其中不仅是导光媒质,而且也是敏感元件,光在光纤内受被测量调制,多采用多模光纤。

  优点:结构紧凑、灵敏度高。

  缺点:须用特殊光纤,成本高。

  典型例子:光纤陀螺、光纤水听器等。

  光纤陀螺

    光纤陀螺分干涉型、谐振型和布里渊型,干涉型光纤陀螺是第一代,技术上已经趋于成熟,正处于推进批量生产和商品化阶段;谐振型光纤陀螺是第二代,处于实验室研究向实用化推进的发展阶段;布里渊型是第三代,尚处于理论研究阶段。光纤陀螺结构根据所采用的光学元件有三种实现方法:小型分立元件系统、全光纤系统和集成光学元件系统。目前分立光学元件方案已经基本消失,全光纤系统用在开环低精度、低成本的光纤陀螺中,集成光学器件陀螺以工艺简单,总体重复性好、低成本成为国际中高精度光纤陀螺主要方案。

    光纤陀螺主要由光源、探测器等有源器件和光纤耦合器、相位调制器等无源器件以及光纤组成。国外从1976年开始研究,到90年代中期已经有各种精度的光纤陀螺出售,率先在航天及军事领域获得应用,目前许多产品已经应用于民用飞机和汽车工业。国内在保偏光纤、耦合器、多功能集成光学调制器(Y波导)等领域已经取得较大成果, 接近或达到国际先进水平。在光源方面还在研究,在实验室条件下超发射激光二极管能够满足要求,在工程应用还存在可靠性和温度特性等问题。限于半导体技术,目前国内主要研究集中在1300nm波段。国内和国外差距主要是在产品化上,技术不成熟,没有形成大规模生产能力;元器件的性能和生产能力有待提升。

    西安飞秒光电研发主管米磊对光纤在线表示:“我国已经量产千分之一精度的光纤陀螺,目前主要用于导弹等中低精度领域,用于机载的高精度光纤陀螺正在研发。航天时代集团光纤陀螺年销售额已经超过2亿元,全国有不少企业在这个领域发展,主要集中在中精度领域。目前核心器件的相位调制器,主要由北京世维通公司生产,重庆44所也在生产,西安光机所也在研发。光纤绕环一般是各家厂商自产,武汉长盈通公司专门做光纤绕环。LED光源主要是武汉光迅,深圳飞康等厂商生产。”

    可以预计,光纤陀螺将在中低精度和中高精度领域逐渐取代传统的机电陀螺,未来在航天、军事、汽车等领域具有巨大的发展潜力。

    光纤水听器

    光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器,它通过高灵敏度的光纤相干检测,将水声信号转换为光信号,并通过光纤传至信号处理系统转换为声信号信息。相比传统水听器具有灵敏度高、响应带宽宽、不受电磁干扰等特点,广泛用于军事和石油勘探、环境检测等领域,具有很大的发展潜力。

    光纤水听器按原理可分为干涉型,强度型,光栅型等。干涉型光纤水听器关键技术已经逐步发展成熟,在部分领域形成产品;光纤光栅水听器则是当前研究热点。研究的关键技术涉及光源、光纤器件、探头技术、抗偏振衰落技术、抗相位衰落技术、信号处理技术、多路复用技术以及工程技术等。

    光纤水听器研究始于上世纪70年代末美国海军实验室,各发达国家相继投入了大量人力物力做研究,取得了很多成果。在军事应用上,随着潜艇噪声降低,电声纳探测灵敏度接近极限值,光纤水听器将大有用武之地。我国的光纤水听器研究也已取得较大进展,在一些技术指标上达到国际水平,但主要处于理论和实验阶段,实用化、工程化光纤水听器还未见报道。

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