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光纖傳感器的趨勢與市場行情
2011-03-23
光纖傳感器這個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、重量輕的機械性能;絕緣、無感應(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)或者對人有害的地區(qū)，如核輻射區(qū))，起到人的耳目作用，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。
基本工作原理及應(yīng)用領(lǐng)域
光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)(如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等)發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。
光纖傳感器的應(yīng)用于對磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測量。光纖傳感器的應(yīng)用范圍很廣，幾乎涉及國民經(jīng)濟和國防上所有重要領(lǐng)域和人們的日常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環(huán)境中使用，解決了許多行業(yè)多年來一直存在的技術(shù)難題，具有很大的市場需求。主要表現(xiàn)在以下幾個方面的應(yīng)用：
城市建設(shè)中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應(yīng)用。光纖傳感器可預(yù)埋在混凝土、碳纖維增強塑料及各種復(fù)合材料中，用于測試應(yīng)力松馳、施工應(yīng)力和動荷載應(yīng)力，從而評估橋梁短期施工階段和長期營運狀態(tài)的結(jié)構(gòu)性能。
在電力系統(tǒng)，需要測定溫度、電流等參數(shù)，如對高壓變壓器和大型電機的定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)的溫度檢測等，由于電類傳感器易受電磁場的干擾，無法在這類場合中使用，只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發(fā)展起來的一種用于實時測量空間溫度場分布的高新技術(shù)，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)不僅具有普遍光纖傳感器的優(yōu)點，還具有對光纖沿線各點的溫度的分布傳感能力，利用這種特點我們可以連續(xù)實時測量光纖沿線幾公里內(nèi)各點溫度，定位精度可達(dá)米的量級，測量精度可達(dá)1度的水平，非常適用大范圍交點測溫的應(yīng)用場合。
光纖傳感器的分類
光纖傳感器可分兩大類：一類是功能型(傳感型)傳感器;另一類是非功能性(傳光型)傳感器。
功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹姸?、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，現(xiàn)通過被調(diào)制走的傳導(dǎo)進(jìn)行解調(diào)，從而得出被測信號。
光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)被測量調(diào)制，多采用多模光纖。
優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度度。缺點：須用特殊光纖，成本高。典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。
非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)，常采用單模光纖。光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上被測量調(diào)制。
優(yōu)點：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，成本低。缺點：靈敏度較低。實用化的大都是非功能型的光纖傳感器
目前光纖傳感器已經(jīng)有70多種，光纖聲傳感器是一種利用光纖自身的傳感器。當(dāng)光纖受到一點很微小的外力作用時，就會產(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力發(fā)生很大的變化。聲音是一種機械波，它對光纖的作用就是使光纖受力并產(chǎn)生彎曲，通過彎曲就能夠得到聲音的強弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種。與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本低，可以用于飛機、艦船、導(dǎo)彈等的高性能慣性民航系統(tǒng)。
熒光光纖傳感器
與化學(xué)傳感器不同，光纖生物傳感器主要是利用熒光免疫競爭原理實現(xiàn)對分析物的檢測。Shriver-Lake等人發(fā)展了一種適合于多目標(biāo)檢測的熒光光纖傳感器，采用免疫競爭方法可同時檢測TNT和RDX(三次甲基三硝基胺)兩種爆炸物。他們將抗體固定在光纖表面，熒光標(biāo)記抗原與自由抗原在光纖表面進(jìn)行免疫競爭，通過檢測熒光強度的變化，可定量檢測爆炸物的體積分?jǐn)?shù)。需要指出的是，雖然熒光光纖生物傳感器具有靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點，但使用穩(wěn)定性差是其難以克服的缺陷。
隨著新的熒光敏感材料的出現(xiàn)，爆炸物的熒光檢測方法也在不斷發(fā)展。Swager小組利用微納米顆粒材料比表面大的特點，利用層層組裝技術(shù)將共軛熒光高分子固定于微球表面，制成了可對硝基芳烴類炸藥實現(xiàn)靈敏檢測的功能熒光微球材料，并形象地稱其為“智能砂子”。針對共軛熒光高分子薄膜熒光傳感器的局限性，提出了以固定化多環(huán)芳烴的超分子行為為基礎(chǔ)的傳感薄膜材料設(shè)計新思想，制備了十余種新型傳感薄膜材料，已實現(xiàn)了對有機二酸等的選擇性檢測。實驗發(fā)現(xiàn)，在這些薄膜中，芘功能化薄膜對空氣中硝基芳烴類化合物的存在十分敏感，其靈敏度可與共軛熒光高分子薄膜相媲美，展現(xiàn)出很好的應(yīng)用開發(fā)前景。可以預(yù)期，薄膜熒光傳感器所具有的巨大優(yōu)勢必將使其在硝基芳烴類炸藥的超靈敏快速檢測方面獲得際應(yīng)用。
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