光纤传感器研究背景意义与现状.doc

光纤传感器研究背景意义与现状 1研究背景和意义 光纤传感器具有高灵敏度、抗干扰、结构简单、体积小、质量轻以及光路可弯曲，对被测介质影响小、便于形成网络等优点，有着广泛的应用前景，然而，采用普通光纤传感器存在一些难以克服的缺点，如：耦合损耗比较大，保偏特性差和存在交叉敏感问题等，限制了光纤传感器性能的进一步提高。 20世纪90年代中期，研制出一种光子晶体光纤，光子晶体光纤PCF又被称为微结构光纤，是近年来出现的一种通常由单一介质构成,并由波长量级的空气孔构成微结构包层的新型光纤。由于具有传统光纤无法比拟的奇异特性，如：光子晶体光纤所具有的无休止的单模特性、奇异的色散特性、可控的非线性和易于实现的多芯传输等特点，吸引了学术界和产业界的广泛关注，近年来已成为研究热点。 本设计拟研究光子晶体光纤在光纤传感器方面的应用，旨在利用光子晶体光纤制作光纤光栅，从而形成光纤传感器，进而研究其传输特性等。 1.1研究的背景 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成（利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性）一个窄带的（投射或反射）滤光器或反射镜。 1978年，加拿大通信研究中心的K．O．Hill及其合作者首次从接错光纤中观察到了光子诱导光栅。Hill的早期光纤是采用488nm可见光波长的氛离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。后来Meltz等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅。1989年，第一支布拉格诺振波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。 光纤传感就是将被测量的变化转化为光纤中传输光参数(如光强、波长、相位以及偏振态)的变化，通过测量光纤的输出光来确定被测量的大小。光纤传感技术在国际上是七十年代后期迅速发展起来的新技术[1]，而光纤传感器就是随光纤通讯及光纤传感等相关技术而飞速发展起来的一类新型传感器。 光纤传感器与传统的传感器相比主要差别在于：传统的传感器是以应变—电量为基础，以电信号为转换及传输的载体，用导线传输电信号，因而使用时受到环境的限制，如环境湿度太大可能引起短路，特别是在高温和易燃、易爆环境中容易引起事故等；而光纤传感器是以光信号为变换和传输的载体，利用光纤传输信号，它具有许多独特的优点： (1)不受电磁干扰，当光信息在光纤中传输时，它不会与电磁场产生作用，因而，信息在传输过程中抗电磁干扰能力强，使其特别适合于电力系统。 (2)绝缘性能高，现在普遍使用的光纤是由石英玻璃制成的，是一种不导电的非金属材料，其外层的涂覆材料硅胶也不导电，很方便测量带高压电设备的各种参数； (3)防爆性能好，耐腐蚀。由于光纤内部传输的是能量很小的光信息，不会产生火花、高温、漏电等不安全因素，因此，光纤传感器的安全性能好，适用于有强腐蚀性对象的参数测量； (4)导光性能好，对传输距离较短的光纤传感器来说，其传输损耗可忽略不计，目前利用这一特性制成了锅炉火焰监测器监视火焰的状态； (5)可绕，光纤细而柔软，可制成非常小巧的光纤传感器，用于测量特殊对象及场合的参数； (6)光纤传感器的载体是光，其频率数量级为，从而使传感器频带范围很宽，动态范围很大； (7)便于复用，便于成网，有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络； (8)光纤材料简单，便于获得，所以成本低 光纤传感器的优越性使其在军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。目前，世界上已有光纤传感器上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。而今，光纤传感器正处于发展阶段，人们正在探索新的方法和新的结构。同时，也存在着许多问题要解决，例如，常规光纤具有偏振态漂移、模间干扰等特点，使光纤传感器的应用受到了限制，为此急需寻找新的光纤为光纤传感器注入活力，光子晶体光纤就是人们寄予希望的新型光纤之一。 1.2研究的意义 光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此它具有良好的实用性，其优越性是其他许多器件无法替代的。这使得光纤光栅以及基于光纤光栅的器件成为全光网中理想的关键器件。 1978年K.O.Hill等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成第一只光纤光栅，经过二十多年来的发展，在光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的应用前景。随着光纤光栅制造技术的不断完善，光