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我国光纤传感技术发展路线:关键技术发展现状


  来源: 光电汇 时间:2022-07-28 编辑:仪器仪表WXF
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光纤传感技术经过四十多年的学术研究与技术发展,在近几年形成了加速发展的趋势,其原因主要有两个:一是光纤传感技术已经在若干实际场景中获得了大量应用;二是微纳技术、材料技术及生物技术的发展和应用,也为光纤传感技术提供了许多交叉感测的新方法。我国经济的快速发展不仅为光纤传感技术的实际应用提供了广阔的市场,同时也助推了这一领域基础研究的繁荣与进步。下面我们来看看光纤传感若干关键技术的发展路径。

 

一、我们来看看光纤传感若干关键技术的发展路径

 

1、特种光纤及器件


近年来,特种光纤及其传感器件的快速发展,有力地推动了光纤传感技术水平迈上新台阶。光纤传感器与传统的各类传感器相比,具有一系列独特的优点,如电绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、非侵入、高灵敏度、形状可绕曲、耐腐蚀、防爆、容易实现对被测信号的远距离监控等。


随着物联网的兴起和5G技术的大规模商用化,应用于传感系统的特种光纤及器件也将迎来蓬勃的发展。光纤应用于传感领域也经历了一系列的技术变革,为满足不同的应用环境,特种传感光纤技术的发展也从更小尺寸的集成化向更适用于恶劣环境的技术方向发展,光纤传感实用化也取得了长足的进步。


特种光纤主要包括抗弯曲光纤、保偏光纤、耐高温光纤、抗辐射光纤、旋转光纤、瑞利散射增强光纤等。


1)抗弯曲光纤,弯曲损耗低,机械强度高,适合小尺寸振动环绕制,在光纤水听器上有重要应用。单个水听器很难获得目标的详细信息,需要布放成百上千个探测基元组成大的探测阵列,来实现对水下目标的定位与指向。对于大规模的布放,要求探测阵列及传输光缆体积小、重量轻、易于收放。因此,要求作为水听器用的传感光纤的几何尺寸小型化,能耐受更小的弯曲半径,且具有更低的弯曲损耗。抗弯光纤也经历了几何尺寸逐步减小、宏弯损耗逐步降低、弯曲机械可靠性逐步提高的发展历程,其极限弯曲半径已经达到了5 mm,最大宏观弯曲损耗小于0.01 dB/turn。


2)保偏光纤,可产生强双折射效应、可以保持某一方向线偏振的入射光束的偏振态,常应用于光纤陀螺。目前对于光纤陀螺应用领域,脱骨架小型化、高精度是发展趋势,保偏光纤也经历了更小几何尺寸、更小可弯曲直径、更稳定的全温性能等发展历程,光纤尺寸从125/250 μm(表示包层、纤芯直径分别为250 μm 125 μm)、80/170 μm,80/135 μm,发展到60/100 μm,现阶段纤芯直径已开始向40 μm的尺寸发展。


3)耐高温光纤,采用特种耐高温聚酰亚胺涂料涂敷,耐受温度达300 ℃,主要用于分布式光纤测温系统,如火灾监测、管道泄漏检测等特殊环境。


4)抗辐射光纤,主要用于太空或核电等辐照环境的通信及传感。光纤中掺杂的稀土元素在受到太空中高能粒子的辐照时,会引起辐致暗化效应,从而造成光纤损耗的急剧增加,因此需要研制适用于辐照环境的特种光纤。现阶段的抗辐射光纤主要从掺杂材料优化、光纤预处理、后处理工艺等多个方向不断地降低辐致衰减指标。


5)旋转光纤,具有极为突出的抗环境干扰能力,主要应用于基于法拉第磁光效应的光纤电流互感器。目前,比较成熟的旋转光纤是通过在拉丝过程中旋转预制棒制备而成。通过对扭转速率的优化设计,可以很大程度地消除光纤弯曲造成的线性双折射的影响,且旋转光纤的机械强度较高,工艺一致性稳定,极大地提高了产品的稳定性,已应用于电力、冶金等领域。


6)瑞利散射增强光纤,主要用于基于瑞利散射的分布式传感系统中,如Φ-OTDR传感系统。


与通信不同,光纤传感应用往往伴随了一些特殊的应用环境。随着我国各个行业的发展,物理感知层的传感需求也随之而来,例如:光纤陀螺、光纤水听器、光纤电流互感器等对保偏光纤及其器件的需求,核电站及空间探测领域对抗辐射光纤及器件的需求等,这些需求不仅对传感光纤的性能提高起到了促进作用,也对市场产生了强劲的拉动作用。


然而,在特种光纤应用环境中,不同的应用方向对光纤的要求各不相同,实现更高技术水平对光纤的各项指标也提出了独特的技术要求。特种光纤在传感领域的应用已经相当广泛,并且在大部分领域均有不可替代的作用,如抗弯光纤在小型化水听器中的应用、细径保偏光纤在高精度陀螺中的应用等。随着传感技术的更新,实际应用对各种特种光纤的指标也提出了新的要求。


光纤是光纤传感技术的载体,随着未来新光纤传感技术的出现以及现有传感技术的升级换代,必将产生新的光纤类型以及更高技术要求的各类传感光纤。


2、光纤布拉格光栅传感技术


光纤布拉格光栅(FBG)是业界公认的种类最多、商用化程度最高、应用领域最广泛的一类光纤传感技术。同其他光纤传感技术相比,FBG的传感信号强、精度高、响应快,不受光源波动和链路损耗变化的影响,抗干扰能力强;通过合理地设计与封装,单个传感器可达到很强的环境耐受能力,同时具有组网复用方式灵活多样的特点。


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