光纤传感技术论文
光纤传感技术是近年来发展起来的一门新技术。下面是小编整理了光纤传感技术论文，有兴趣的亲可以来阅读一下!
光纤传感技术论文篇一
新一代光纤智能传感网技术进展
摘 要：新一代光纤智能传感网是一项涵盖领域较为广泛的综合性技术，主要包括微结构光纤传感、基于非线性光学散射的光纤传感、基于光纤扰动的光纤传感、传感网的优化及应用技术四个方面。燕山大学、天津大学研制了不同类型的光子晶体光纤传感器，可用于生物化学方面检测。中国计量学院、南京大学开展了基于非线性光学散射的光纤系统研究，并在实际工程中得到应用。复旦大学、天津大学、上海理工大学针对光纤扰动的理论、算法等方面进行了研究。天津大学开展了光纤传感网优化及应用的研究，并在实际中得到应用。该文简要介绍了上述科研机构在光纤智能传感网技术方面取得的进展，为广大科研工作者进行相关研究提供参考。
关键词：光纤传感 光纤传感网 微结构 非线性光学 光纤扰动
中图分类号：TN523 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2014)10(b)-0047-02
光纤传感技术因其具有抗电磁干扰、电绝缘、体积小、易成阵列等优点，自从问世就受到极大重视[1]。光纤传感技术在实际应用中，往往是将各种传感器组成光纤传感网，对多种信号进行测量。但是目前传感器受结构、工艺束缚，系统稳定性较差，光纤传感网技术的应用范围受到限制。随着我国国民经济的飞速发展，各个领域对更高精度、多指标检测方面需求越来越迫切，这就对光纤传感检测系统提出了更高要求。因此，国家将新一代光纤智能传感网与关键器件基础研究列为国家重点基础研究发展计划(973计划)，对关键性原理、器件的研究进行重点支持。
新一代光纤智能传感网是一种具有3S(Smart structure 灵巧结构，Smart components 灵巧器件，Smart skill 灵巧技术)功能的系统，具有超长距离传感能力，并且能够智能的实现自寻径、自诊断、自愈等功能。该传感网的研究主要涉及四个关键性科学问题：研究微结构中物质与光波耦合作用的机理;研究基于非线性光学散射效应融合的光纤传感技术;研究基于光纤扰动理论的光纤传感技术;研究光纤智能传感网的优化技术及其应用理论。
1 微结构光纤传感研究
随着光纤传感技术应用领域的扩展、应用场合空间限制等因素，对光纤传感器的尺寸及结构提出了更高的要求，因此需要开展基于新型敏感元件、新原理的光纤传感研究。目前主要的研究方向为新型光子晶体光纤传感和基于光微流体理论的光纤传感。
1.1 新型光子晶体光纤传感
光子晶体光纤(PCF)是一种基于光子晶体特性的新型光纤，主要特点是包层区有许多平行于光纤轴的微孔。目前大部分光纤传感器的敏感元件为普通的光纤，因此存在保偏性差、耦合损耗大等问题，而采用光子晶体光纤的传感器不仅能够克服上述缺点，还具有调谐范围宽、模场面积大、可以多参数测量等优点。据报道，目前利用光子晶体光纤传感器对三聚氰胺的最低检测浓度可以达到0.25 g/L，砒啶的最低检测浓度达到0.004975%，为公共安全及食品安全领域提供了一个新的检测方法。
燕山大学是国内最早开展相关研究的单位之一，在光子晶体光纤的制备与应用方面经验丰富。燕山大学的毕卫红、李建萍等[2]研制了一种双周期光子晶体光纤光栅传感器，该传感器可对折射率及温度进行检测。天津大学在光子晶体光纤领域也开展了相关研究[3-4]，研制了灵敏度为2400 nm/RIU的光子晶体光纤传感器、最高分辨率为4×10-6 RIU的液芯PCF-SPR温度传感器和具有可调谐温度跳变点的温敏光开关。
1.2 基于光微流体理论的光纤传感
基于光微流体理论的光纤传感技术是近些年发展起来的新兴技术，通过检测折射率实现对生物、化学参量的无标记检测，可以检测蛋白质、DNA、病毒等，在医学、食品检测、环境监测等领域具有广阔应用前景。天津大学对以微毛细管为基础的生物传感进行了深入研究。通过在毛细管中添加特殊介质，并采用在内壁涂覆高折射率基质层的方法，可以高灵敏度的进行传感检测。
近年来气体光纤传感越来越受到重视，天津大学的刘琨、刘铁根等[2]基于L波段EDFA构建了光纤内腔气体传感系统，同时串联标准具和光栅为系统提供波长参考，可以对CO2、CO等气体进行浓度检测。针对国家在航空航天方面的重大需求，天津大学研制了基于F-P干涉原理的大气压力解调系统，光纤F-P传感器[4]采用了MEMS微加工、键合封装等技术，解调算法方面，提出了任意极值算法、单色频域法。该系统有望应用于新型战机如J20、J15等，替代基于空速管的大气压力系统，从而达到抗电磁干扰、增强机体隐身性的要求。
2 基于非线性光学散射效应融合光纤传感研究
光纤的非线性效应主要是指拉曼散射效应和布里渊散射效应。光纤拉曼温度传感器可以应用于大型土木建筑、隧道、提坝、电力工程等领域。中国计量学院光电子研究所是国内最早开展相关研究的单位之一。该单位研究的相关系统[5]已经成功应用在许多领域，如在日照港卸煤设备上安装的光纤温度传感网系统，该系统监测到大型运煤翻车机电机过热并进行报警，成功避免了火灾，挽回经济损失1200余万元;部分高铁路段的隧道也应用了相关温度传感系统，对隧道内温度实时监测，预防火警，保障高铁列车的安全运行。
基于布里渊散射的光纤传感技术起步比较晚，但是由于其具有可测量多个物理量(温度、应变等)、传感距离长、易于实现网络化等优点，近年来备受关注。南京大学的胡君辉、张旭苹等[6]研究了一种长距自诊断方法，可以在72 km传感长度实现损坏自诊断。基于布里渊散射的光纤传感系统在工程实际中也被大量应用，例如南京市鼓楼隧道应变分布式光纤监测项目、云南嵩待公路白泥井3号隧道分布式光纤应变监测项目[8]。
3 基于光纤扰动的光纤传感
扰动(振动)是一种典型的动态变量，在军事、建筑、交通等各个领域都是一项重要参数。随着我国经济的快速发展以及国际竞争的加剧，信息安全建设的重要性日益凸显。尤其是2013年6月以来，美国特工斯诺登揭露的“棱镜门事件”深刻揭示了当前信息安全领域存在重大危机。因此保密场所周界环境安全监控、通信线路的安全监控等方面的安全防范措施变得非常重要，光纤扰动技术则可以满足这些需求。 光纤扰动及定位传感网采用的是光纤干涉传感技术，整根光纤都作为传感器，一旦有外界异常现象(压力、拉伸、振动等)，将会引起光纤中传输光的干涉强度变化，通过检测这些变化可以实现扰动定位。复旦大学、天津大学、上海理工大学等高校的科研人员针对光纤扰动系统进行了大量研究。在部分军事通信光缆、机场、部队驻扎地等场所已经应用了分布式光纤扰动系统。上海市公安系统也率先应用全光纤侦听设备进行刑事侦查。
4 光纤智能传感网的优化及其应用理论研究
随着光纤传感技术在工程领域的应用，对光纤传感技术提出了新的要求：不但需要针对单一指标组网进行实时准确监测、测量，还需要获得被测对象的全面信息，以便提高监测的准确性，并能够实现对系统自身的自检自愈。
天津大学的张红霞、王舒等提出了一种针对光纤传感网鲁棒性的评价方法。丁振扬、姚晓天等采用去斜滤波器补偿主干涉拍频信号中的非线性相位或相位噪声的方法，使得基于OFDR 技术的光纤传感网空间分辨率提高了近100倍。
目前，多种光纤传感技术融合的传感网已经在实际中得到了应用。天津大学针对航天领域大规模高精度传感器密集排布以及独立空间组网的重大需求，采用光栅光纤温度测量系统、F-P压力测量系统以及声振动测量系统组网，初步完成适应热真空环境的多参量(温度、压力、振动)、多点位、高精度、高密度光纤异构智能传感网的组建。
5 结论
新一代智能光纤传感网是未来光纤传感技术的发展趋势，在国防军事、航空航天、土木工程等领域具有广泛应用前景。众多科研机构均开展了不同器件、基于不同原理的光纤传感技术研究，并取得了一定的应用成果，但是在基于微结构的传感器设计、相关解调算法、系统结构优化方面还有提升的余地。在国家973计划等重大科研项目推动下，光纤传感网技术将会更加成熟，在各个领域将发挥更大的作用，为提升我国在传感及光电子领域中的自主创新能力、增强我国信息产业的国际竞争力、促进国民经济的快速可持续发展做出更多更大的贡献。
参考文献
[1] Guo X，Bi W，Wang L，et al. Simultaneous measurement of refractive index and temperature using dual-period grapefruit microstructured fiber grating[J]. Optik-International Journal for Light and Electron Optics，2013， 124(18)：3371-3374.
[2] Hao C，Lu Y，Fu X，et al.Surface plasmon resonance sensor based on grapefruit fiber filled with silver nanowires[C]//OFS2012 22nd International Conference on Optical Fiber Sensor. International Society for Optics and Photonics，2012：84217C-84217C-4.
[3] Wang R，Yao J，Miao Y，et al. A Reflective Photonic Crystal Fiber Temperature Sensor Probe Based on Infiltration with Liquid Mixtures[J].Sensors，2013， 13(6)：7916-7925.
[4] 刘琨，刘铁根，江俊峰，等.基于波长调制技术的内腔式气体传感研究[J].中国激光，2010，38(1)：105008.
[5] Yin J，Liu T，Jiang J，et al.Wavelength-division-multiplexing method of polarized low-coherence interferometry for fiber Fabry�Perot interferometric sensors[J].Optics letters，2013，38(19)：3751-3753.
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[7] Wang Jianfeng，Hong Yan， Ma Jiandong，et al.Application research of optical switch in distributed optical fiber temperature sensor system[J]. Journal of Optoelectronics・Laser， 2010，21(9)：1291-1293.
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[9] 张丹，施斌，徐洪钟.基于BOTDR的隧道应变监测研究[J].工程地质学报， 2005，12(4)：422-426.