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分立式与分布式光纤传感关键技术研究进展

更新时间：2019-12-25 08:35:06 大小：7M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：光纤传感 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

光纤传感技术已广泛应用于航空航天、石油化工、电子电力、土木工程、生物医药等领域,其技术形式主要体现为分立式和分布式.分立式光纤传感技术利用光纤敏感器件作为传感器来感知被测参量的变化,光纤作为光信号的传输通道连接光纤传感器及后端的解调装置;分布式光纤传感系统基于光纤瑞利散射、拉曼散射或布里渊散射等光学效应,利用光纤本身作为传感器,可对沿途的光信号进行大范围、长距离传感.本文介绍了分立式与分布式光纤传感中主要关键技术的研究进展,并对未来的研究和发展方向进行了探讨.


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物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 070705  
专题: 光纤传感  
∗
分立式与分布式光纤传感关键技术研究进展  
刘铁根† 于哲 江俊峰 刘琨 张学智 丁振扬 王双 胡浩丰 韩群  
张红霞 李志宏  
(天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室, 光电信息技术教育部重点实验室, 天津市光  
纤传感工程中心, 天津 300072)  
( 2016 年 11 月 28 日收到; 2017 年 2 月 21 日收到修改稿 )  
光纤传感技术已广泛应用于航空航天、石油化工、电子电力、土木工程、生物医药等领域, 其技术形式主要  
体现为分立式和分布式. 分立式光纤传感技术利用光纤敏感器件作为传感器来感知被测参量的变化, 光纤作  
为光信号的传输通道连接光纤传感器及后端的解调装置; 分布式光纤传感系统基于光纤瑞利散射、拉曼散射  
或布里渊散射等光学效应, 利用光纤本身作为传感器, 可对沿途的光信号进行大范围、长距离传感. 本文介绍  
了分立式与分布式光纤传感中主要关键技术的研究进展, 并对未来的研究和发展方向进行了探讨.  
关键词: 光纤传感, 分立式, 分布式, 传感网  
PACS: 07.60.Vg, 07.07.Df, 87.19.lt  
DOI: 10.7498/aps.66.070705  
和应用”, 武汉理工大学牵头承担的国家自然科学  
基金重大项目 “光纤传感网关键器件与技术研究”  
等. 这些研究取得了丰硕的成果, 有力推动了我国  
光纤传感技术的发展, 相应研究成果已经在生产和  
生活的各个方面获得广泛应用.  
光纤传感按照结构可以分为分立式光纤传感  
技术和分布式光纤传感技术两大类, 本文着重介绍  
两类光纤传感的主要关键技术研究进展.  
1 引  
言
光纤传感技术起源于20 世纪 60年代的两项重  
大科学发现: 1960 年激光器的发明 [1] 和 1966 年低  
损耗光纤理论的建立 [2]. 20 世纪 70 年代, 伴随光  
纤及光纤通信技术的发展, 光纤传感技术开始起  
步 [3]. 光纤传感技术具有抗电磁干扰、耐腐蚀、质量  
轻、体积小、可复用、可组网等优越性, 可以对转动、  
加速度、电磁场、温度、压力、应力、声音、振动、湿度、  
黏度、折射率、浓度等多种理化参量进行传感, 因此  
在航空航天、石油化工、电子电力、土木工程、生物  
医药等领域有着广泛的应用前景. 该技术自建立以  
来在国内外引发了研究热潮并延续至今. 我国近年  
来尤其重视这一技术的发展, 设立了一系列国家级  
重大、重点研发计划来推动相应的研究, 如天津大  
学牵头承担的国家重点基础研究计划 “新一代光纤  
智能传感网与关键器件基础研究” 和国家重大科学  
仪器设备开发专项项目 “光纤力热复合测试仪开发  
2 分立式光纤传感技术  
分立式光纤传感技术利用光纤敏感器件作为  
传感器来感知被测参量的变化, 通过被测参量对光  
谱、光强、偏振等光学参量的调制获取被测量的信  
息. 光纤作为光信号的传输通道连接了光纤传感器  
及后端的解调装置. 下面主要介绍光纤光栅传感  
技术、光纤 Fabry-Perot (F-P) 传感技术、光纤陀螺  
传感技术、光纤内腔传感技术、光纤表面等离子体  
传感技术、空心光纤回音壁谐振模传感技术、磁流  
∗
国家自然科学基金 (批准号: 61675152, 61227011, 61378043, 61475114, 61505139, 61505138)、国家重大科学仪器设备开发专项  
(批准号: 2013YQ030915) 资助的课题.  
†
通信作者. E-mail:
© 2017 中国物理学会 Chinese Physical Society  
070705-1  
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 070705  
体光纤传感技术和光纤光学相干层析成像技术的  
实现了不同稳态温度下的绝对波长解调, 解调结果  
波动幅度为 ꢀ1.2 pm, 标准差为 0.39 pm . 而在  
[12]  
研究.  
环境温度较快变化时, 可调谐 F-P 滤波器的波长电  
压扫描的重复性变差, 导致解调波长波动幅度高达  
ꢀ28.5 pm, 标准差8.6 pm. 我们通过引入光纤迈克  
耳孙干涉仪作为辅助的光频率细分模块进行抑制,  
2.1 光纤光栅传感技术  
目前在工程中广泛应用的光纤光栅传感器主  
要基于光纤布拉格光栅 (FBG), 是一种纤芯折射率  
周期性变化的光纤结构. FBG 的布拉格波长对外  
界变化非常敏感, 当FBG 所处环境温度、应变发生  
变化时, FBG 的布拉格波长会随之发生漂移, 通过  
对布拉格波长的测量, 即可实现对多种物理参量的  
传感. 1992 年, Kersey 和 Berkoff [4] 利用 FBG 设计  
了微分式光纤温度传感器, 其温度传感精度可达  
◦
在平均变温速率为2.2 C/min时, 解调结果波动幅  
度降低至 ꢀ3.5 pm, 标准差 1.4 pm, 解调的稳定性  
提高了6.5倍 [13]  
0.010  
.
0
-0.010  
-0.020  
◦
0.05 C. 2001 年, Guo 等 [5] 采用错位光纤结构, 并  
在光纤上制作光栅结构, 可以实现对振动和弯曲  
的测量. 2008年, Xu等 [6] 采用FBG进行压力测量,  
在 70 MPa 压强下实现了 3.04 × 10−3 nm/MPa 的  
测量灵敏度.  
-0.030  
0
50  
100  
150  
200  
除了对待测量的拓展之外, 研究人员也提出了  
多种 FBG 波长解调方法, 如衍射光栅法 [7]、边缘滤  
波法 [8]、可调谐 F-P 滤波法 [9] 等. 衍射光栅法解调  
的信噪比高, 但成本高且较难进行实时校正; 边缘  
滤波解调法具有体积小、质轻、低功耗的优点, 但复  
用性较差; 而可调谐 F-P 滤波法复用性强, 且易于  
实现 FBG 波长的动静态监测, 获得高质量的光谱  
分析, 是当前实用性较好的方法之一.  
௑ᫎ/h  
图 1 液氮环境中光纤光栅传感器的波长变化 [11]  
Fig. 1. The wavelength change of fiber bragg grating  
[11]  
sensor in liquid nitrogen  
.
2.2 光纤F-P传感技术  
光纤 F-P 传感技术通过待测量作用于 F-P 腔  
产生的腔长变化进行传感. F-P 腔为光纤 F-P 压力  
传感器的核心敏感元件, 入射光在 F-P 腔的两个端  
面形成反射, 产生干涉信号, 干涉信号随着 F-P 腔  
长的改变而发生变化, 通过对干涉信号进行解调实  
现对待测参量传感. 按照不同的 F-P 腔构成方式,  
可以将光纤 F-P 待测参量传感器分为本征型和非  
本征型两大类, 图 2 为这两类传感器的典型结构.  
Ԧ
࠱
᭧  
在极端环境下的应用是当前 FBG 传感技术的  
一个重要发展方向 [10]. 针对高温检测应用, 利用  
飞秒激光器在蓝宝石光纤上刻写的光栅, 可以在高  
温环境下保持稳定的光栅结构和传感特性, 温度检  
◦
[11]  
测上限可达 1500 C . 天津大学基于航天中的  
应用需求, 研制了可工作于低温环境的 FBG 传感  
器, 采用金属基底增敏封装结构来提高传感器在低  
温下的灵敏度; 并利用无胶封装和预拉伸工艺解  
决光纤光栅在低温下的蠕变和啁啾等问题. 图 1 所  
ጜᔇ  
◦
示为 FBG 传感器在 −196 C 液氮环境中 217 h 连  
(a) వढ़
ی
 
续测量的结果, 可以看出, FBG 传感器的波长波动  
幅值小于 9 pm, 标准差为 0.76 pm. 这表明研制的  
FBG 传感器可以在较长时间的低温环境下保持性  
能稳定.  
ඐጺဝၕኮ  
Ԧ
࠱
᭧  
ጜᔇ  
(b) ᭤వढ़
ی
 
航天环境复杂多变, 温度、真空、辐照等因素  
均会对解调设备产生影响. 天津大学重点对 FBG  
解调系统在宽温范围内的温漂特性做了理论和实  
验分析, 并通过复合波长参考法进行温漂的校正,  
图 2 典型光纤 F-P 传感器结构图 (a) 本征型; (b) 非本  
征型  
Fig. 2. Typical structural diagram of optic fiber Fabry-  
Perot sensor: (a) Intrinsic; (b) extrinsic.  
070705-2  

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