光纤传感监测系统

YangFanH

1      概述

光学与光纤传感测量仪器综合采用了最新发展的基于波长可调谐扫描激光器的高精度并行光谱探测技术、光纤光栅（FBG）传感测量技术、法布里-珀罗干涉测量技术（FP）和MEMS光纤传感技术，可用于构建光学波长测量、微弱光强信号检测、快速脉冲光信号探测以及高精度并行光谱探测等光学特性实验测量设备，也可实现温度、应变、压力、加速度等物理量的高精度光纤传感测量，满足科研、教学等学科建设与跨越式发展，同时可为相关科研单位开展光纤传感领域的前沿探索与工程应用建立设备条件。

1）光纤光栅传感技术概况

光纤光栅是20世纪90年代以来国际上新兴的一种在光纤通信、光纤传感等光电子处理领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件。其原理是：用激光照射加工法直接在单模石英光纤上连续制作多个敏感栅区，实现对温度、应力变形等物理量的分布式测量。光纤传感链中传感器和传输线是合一的，均为石英单模光纤，唯一的区别在于传感器是石英单模光纤中经过加工、处理、封装、保护的局部一段长度（一般为10mm左右），所以，光纤光栅传感器本身不带电，本质安全，抗电磁干扰、抗腐蚀、抗辐射、抗雷击性能良好。光纤光栅传感器属于波长编码测量原理，可进行“绝对量”测量，精度高、稳定性好；此外，光纤的工作频带宽，动态范围大，是一种优良的低损耗传输线，可以在沿大型结构件数十公里长度上安装布设成百上千个应力应变及温度监测点而无需为传感器供电或进行信号中继，只需一台光纤传感分析仪即可实现所有数据的实时同步采集和存储（同步采集频率可达到2500Hz）。

2）FP光纤传感技术概况

FP光纤传感技术基于法布里－珀罗（Fabry-Perot，F-P）平板干涉原理，将压力、应变、温度等变化转换为传感器内部F-P敏感腔的腔长变化。F-P敏感腔由具有一定反射率的两个平行平面组成，光束在其间多次反射构成多光束干涉，在压力作用下，F-P腔长发生相应变化，使入射光被调制。通过解调含有被测物理量信息的光输出信号，就可以精确解算出压力、应变、温度等被测量。

3）MEMS光纤传感技术概况

微电子机械系统(Micro-electro-mechanical System)是指采用微机械加工技术批量制作、集微型传感器、微型机构、微型实行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯等于一体的微型器件或微型系统。与传统的机械系统相比，MEMS技术有以下几个显著的特点：

（1）以硅为基本材料。主要有晶体硅和氮化硅等。力学特性好。硅的强度、硬度和弹性模量与铁相当，密度与铝相当，仅仅为钢的三分之一，热传导率接近铜。

（2）微型化。MEMS体积小(芯片特征尺寸为微米/纳米级)、质量轻、功耗小、惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点。

（3）集成化。采用MEMS工艺可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或实行器集成于一体，形成微传感器阵列、微实行器阵列，形成复杂的微系统。微传感器、微实行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的微电子机械系统。

（4）批量化。可在同一硅片上制作出成千上万的微型器件，批量化生产使制作成本大幅度下降。

正是由于以上特点，MEMS将信息系统的微型化、多功能化、智能化和可靠性水平提高到了新的高度。

MEMS光纤传感技术是建立在微米/纳米制造技术（micro/nanotechnology）基础上的前沿技术，它将MEMS传感技术与光纤传感技术的优点相结合，包括MEMS敏感芯片、光纤检测与传输两个组成部分，是21世纪新近发展起来的、最具发展前景的高新技术，具有极大的市场潜力。

MEMS光纤传感技术的技术优点如下：

1）具有MEMS传感器的高灵敏度、体积小、批量生产、成本低的优点；

2）具有光纤传感器的长距离传输、抗电磁干扰优点；

3）敏感单元无需供电，敏感单元和检测单元分离；

4）可用于温度、应变、压力、振动、流量、气体成分等多种物理、化学量的测量。

这些优点使光纤MEMS传感器可以广泛应用于电力、石油化工、工业控制、航空航海、土木工程、安全防卫、科研教学等领域。