光纤传感器的今日与发展(一)

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光纤层析成像分析技术从兴起到应用不过只有二、三十年的时间，根据不同的原理和应用场合，可将光纤层析技术分为光相干层析成像分析(OCT)和光过程层析成像分析技术(OPT)。

光层析成像技术源于X射线层析成像分析（CT），其基本原理如图9所示。当X射线或光线传输经过被测样品时，不同的样品材料对射线的吸收特性有不同，因此对经过样品的射线或光线进行测量、分析，并根据预定的拓扑结构和设计进行解算就可以得到所需要的样品参数。

光纤相干层析成像技术（OCT）主要应用于生物、医学、化学分析等领域，如视网膜扫描、胃肠内视和用于实现彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。其工作原理基于光的相干检测原理，基本系统结构如图10所示。

OCT为生物细胞和机体的活性检测提供了一种有效的方式，世界上有许多国家都开发出相应的产品。图11为视网膜的CT扫描图像。德国的科学家近期推出了一台可用作皮肤癌诊断的OCT设备。此外，利用OCT可以实现深度测量（~1mm）的优势，已有实例应用于对生长中的细胞进行观察和监测中。

而OPT则面向工业工程－油井、管线等场所，高精度地解决流体的过程测量问题。由于OPT所关心的是光线路径上的积分过程，因此相关的系统集成设计、测量理论分析中的单元分割与信号处理都是关键。图12简单描绘了传统OPT的测量原理，由于OPT具有适用于狭小的或不规则的空间、安全性高、测量区域不受电磁干扰以及可组成测量网络的多项长处，为工业过程的安全测量提供了一种优良的手段。

2、智能材料

智能材料的提出和研究已有相当长的一段时间，为业内人士所熟悉。智能材料是指将敏感元件嵌入被测构件机体和材料中，从而在构件或材料常规工作的同时实现对其安全运转、故障等的实时监控。其中，光纤和电导线与多种材料的有效结合是关键问题之一，尤其是实现与纺织材料的自动化编织。美国南卡罗来那州立大学、佛吉尼亚理工大学和费城纺织学院都在此方面进行了大量工作。笔者曾参与由美国军方资助的预研项目智能型士兵（SMART SOLDIER）和智能型降落伞（SMART PARACHUTE）的研究。图13展示了一件嵌入光纤和电导线的背心[7]。其中光纤和电导线的嵌入均已实现了自动化，为智能型服装的商业化解决了又一难题。

智能材料作为桥梁、大坝等混凝土大型建筑的监测系统已在国外多处工程中通过安装测试并付诸应用。此外，智能材料在航空航天领域的应用也日趋广泛，尤其是采用光纤光栅和光纤分布式应力、温度测量系统进行恶劣环境条件－高温、变形的多参量监测取得了明显的效果。图14勾勒出分布式传感器在航天领域多参量监测中的应用方案。

3、光纤陀螺及惯性导航系统

光纤陀螺（I-FOG）及惯导系统历经25年的发展，目前已进入实用阶段。

从1976年Vali和Shorthill首次提出并实验验证I-FOG原理之后[2]的五年间，世界范围内的主要工作集中于基本结构的研究、结构小型化、开环和闭环结构的讨论等。图15显示出光纤陀螺的标准结构[10]。

从1980到1990年的十年中，对系统误差因子和光纤器件的研究取得了显著的进展，新型的SLD光源、保偏光纤及耦合器的采用，以及特殊的绕制技术为陀螺的实用化铺平了道路。上世纪90年代，中级的I-FOG由于采用了消偏结构、3轴I-FOG、EDFA光源等新型光纤器件和技术，实现了成本降低、体积减小和性能提高目的，并率先在航天及军事领域获得应用。例如，美国Honeywell公司为美国军方制造的用于直升机的三轴惯导系统直径仅为86mm。国际上有些高性能光纤陀螺的漂移指标已达到0.001°/hr，许多产品已经投入民用飞机和汽车工业。未来光纤陀螺在工业领域应用还有更广阔的天地。

图16是日本Mitsubishi Precision公司和空间及宇航所为日本M-V火箭系统设计制造的惯导系统。

4、工业工程类传感器

传统的工业工程类传感器包括应用光纤的电光和磁光效应进行测量的电力工业用大电压、电流传感器。图17为加拿大BC水电站所安装NXVCT的照片。

利用光纤的弹光效应和FBG器件的应力传感器已被广泛应用于应力监测中。图18中为法国Alstom 公司的铁路部 Transport S.A.领导研制的一种安装了FBG的智能型新型复合材料的转向架[10] 。

在许多特殊场合－核工业、化工和石油钻探中都应用了监测传感系统。图19是安装了嵌入式FBG温度传感器阵列的发电机定子。光纤传感器系统正日益走向成熟，并逐步融入日常的生产和生活之中。更多的应用和研究成果可参考OFS年会论文集[10]，以及SPIE的相关专题会议论文。