探索与争鸣 Ｓｃ科ｉｅｎｃｅ＆Ｔｅ技ｃｈ视ｎｏｌｏｇｙ界 Ｖｉｓｉｏｎ 科技・探索・争鸣 光纤传感器的发展综述 王庆波 窦超２ （１．唐山师范学院招生就业处，河北唐山０６３０００；２．唐山学院基础教学部，河北唐山０６３０００） 【摘要】光纤传感器件因其具有重量轻、体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、易于复用形成分布式测量等优点，成为传感领域研究的热点之 本文介绍了光纤传感器的发展概况、基本原理、分类、最新研究进展及应用。并指出了光纤传感器的未来发展趋势。 【关键词】干涉型光纤传感器；光纤光栅传感器；光纤ＳＰＲ传感器 一。集中在纤芯区域．为保证ＳＰＲ效应的产生，无论采用哪种方式，都需 要去除其部分包层．在纤芯表面镀上金属薄膜。利用光在纤芯一包层界 光纤通信与光纤传感技术的研究始于２Ｏ世纪６Ｏ年代。光纤传感 面发生全内反射时产生的ＳＰＲ效应．通过传输损耗谱的峰值变化来 技术是以石英光纤或塑料光纤作为信息的传输媒介．信号光作为信息 分析待测样品的参数变化。 的载体，利用外界环境因素的改变使得光在光纤中传播的波长、光强 ２０世纪９Ｏ年代，新型光子晶体光纤（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ，ＰＣｎ 及相位等特征物理参量发生改变．从而对外界因素进行传感测量的技 旧开始进入科研人员的视野。２００６年，Ｈａｓｓａｎｉ等人提出了两种基于 术…。 ＰＣＦ的ＳＰＲ传感器【８Ｉ．在ＰＣＦ的第二层空气孔内壁镀上金属膜。空气 孑Ｌ中填充的待测液体与金属膜激发的表面等离子体模式发生耦合．仿 １ 光纤传感器的分类 ０绪论 真结果表明这种传感器的分辨率能达到１０－￣ＲＩＵ。 光纤传感器具有多种分类方式．根据传感原理可分为功能型传感 器和非功能型传感器。功能型光纤传感器也叫传感型光纤传感器．光 ３光纤传感器的应用 纤直接作为敏感元件；非功能型光纤传感器也叫传光型光纤传感器。 由于具有体积小、质量轻、灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘性好、抗电磁 光纤只作为传输光信号的媒介．需要利用其它的光敏元件来感知外界 干扰等诸多优点．光纤传感器已经在很多领域被广泛应用。 环境的变化Ｉ 。 ３．１ 土木工程中的应用 ２光纤传感技术的发展 光纤传感器能对钢筋混凝土结构进行无损伤实时监测．因此光纤 ２．１ 干涉型光纤传感器 当环境介质的折射率发生变化（如振动或温度变化等引起１．传感 ３．２ 电力系统中的应用 光纤经过此处时的光波相位会发生变化 对传感光纤中的相干光进行 我国地域广阔，各地地理环境和温度差异很大．光纤电流传感器 相位调制．检测段处就可以观察到外界环境变化带来的干涉结果的变 和电功率传感器形成阵列网格排列．对错综复杂的线路实现分布式监 化．这就是干涉型光纤传感器的＿丁作原理 目前最常用的干涉型光纤 控．监测电力传输网络中的温度、电压和电流等参数，保证电力传输的 传感器有：迈克尔逊（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ）干涉型光纤传感器、马赫一曾德（Ｍａｔｈ— 稳定性以及安全性 Ｚｅｈｎｄｅｒ）干涉型光纤传感器、法布里一珀罗ｆＦａｂｒｙ—Ｐｅｍｔ干涉型光纤传 ３．３ 工业生产中的应用 感器、萨格纳克（Ｓａｇｎａｃ）干涉型光纤传感器 光纤传感器的耐水性、电绝缘性好。耐腐蚀、抗电磁干扰，特别适 与传统光纤干涉仪传感器相比。全光纤Ｍ—ｚ干涉仪传感器的结 合在易燃易爆及强电磁干扰等恶劣环境下使用。因此可以应用于煤矿 构更为简单 在同一根光纤上制作两个相隔一定距离的光纤结构．使 生产中的井下气体浓度监测及油气井开采过程中油、水、气等生产参 不同模式之间形成干涉．构成光纤内的Ｍ—ｚ干涉仪．因不需要耦合 数的动态检测 器，具有制作简单，成本低，尺寸小．灵敏度和稳定性高等显著的优点 ４生物医学中的应用 ２０１３年，Ｈｕ Ｈａｎｇ等人Ｉ’情一段液体填充的光子晶体光纤熔接到 ３．光纤传感器有不受射频和微波的干扰。绝缘性好等优点，同时对 单模光纤上．构成了一种Ｍ—Ｚ干涉仪．其温度和力传感的灵敏度分别 压力传感器被应用于生物 为１６．４９ｎｍ／ｏＣ和一１４．５９５ｎｒｒｄＮ ２０１４年Ｗｅｎ—Ｈｕｉ Ｄｉｎｇ等人Ｉ 嗵过在单 生物体有着良好的亲和性．因此光纤温度、温度、压力传感器被广泛应用于桥梁，隧道的裂缝、错层以及水利大坝 的渗漏和边坡变形监测．从而及时发现并排除安全隐患 血液流速测量、医用图像传输等方面。 模光纤尾端熔接－／ｂ段光子晶体光纤．制成一种光纤Ｆ—Ｐ型温度传感 医学等领域的ＰＨ值测量、器．在２５到３００￣Ｃ范围内温度响应灵敏度达到一０．Ｏｌｉｎｍ／ｏｃ ２．２光纤光栅传感器 ４结语 随着科技的不断进步．综合人类发展的需求．光纤传感器在未来 几年有以下几个发展趋势：１）全光纤微型化．整个传感部分仅由一根 光纤组成。２）实时化测量多个参量，通过一个传感器实现多个参数的 同时测量，并能消除交叉灵敏度。３）光纤传感器的智能化。传感器形成 分布式阵列网格．提高信息采集的精确度和效率．实现无线传输和远 程监测。可见．光纤传感器有着更为广阔的应用前景．需要人们不断探 根据光纤光栅周期的长短．将光栅分为光纤布拉格光栅和长周期 光纤光栅 光纤布拉格光栅的光谱是向前传输的光与反射回来的光． 即传输方向相反的模式之间发生耦合。长周期光纤光栅的光谱是同向 传输的纤芯基模与包层中的高阶模之间的耦合．因而也叫透射光栅 光纤光栅的布拉格波长可以表示为，有效折射率 和栅格周期Ａ受 温度和应变的影响，布拉格波长会随温度Ａ＆ ２ｎ 和应变的变化产 生漂移，这就是光纤光栅传感器的原理 ２０１０年．Ｙａｎ Ｆｅｎｇ等人 制作了光纤光栅温度传感器．实验表明在 【参考文献】 ３５到９５。Ｃ的温度段。温度响应灵敏度为０．０２ｎｍ／￣Ｃ。２０１３年，ｘｉｎｐｕ ［１惆金龙．新型光纤光栅技术及其在光通信与光纤传感方面应用的研究【Ｄ】．厦 Ｚｈａｎｇ等人 利用多模光纤光栅多峰的特点，解决了在光纤传感领域一 门：厦门大学．２００８：１—１ １８． 直困扰大家的温度、折射率等多物理量的交叉敏感问题 ［２］张丽．光子晶体光纤传感器的传感特性研究［Ｄ】．天津：天津理工大学，２０１４：１— ２．３光纤ＳＰＲ传感器 ５６． 索。ｅ 光纤表面等离子体共振（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ．ＳＰＲ）传感器 ［３］陈金平．基于Ｍａｔｈ—Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉的光纤传感器的特性研究【Ｄ】．宁波：宁波大， 是一种将光纤作为激发ＳＰＲ效应基体的新型传感器 传统光纤ＳＰＲ ２０１４：ｌ－５６．传感方式主要有在线传输式和终端反射式．光纤传输模式的能量基本 ［４］赵娜，等．基于光纤粗锥型马赫一曾德尔干涉仪的高灵敏度（下转第４６９页） ※基金项目：河北省教育厅高等学校科学研究项目（Ｚ０２０１６１２０）；唐山师范学院教研教改基金项目（ＪＪ２０１５００５）。 作者简介：王庆波（１９８（ 一），男，河北唐山人，硕士，副教授，研究方向为光子晶体光纤的特性及器件研究。 ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎ。ｌ。ｇ）ｒ Ｖｉｓｉ。ｎ科技视界Ｊ ４７’ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｉｓｉｏｎ 科技视界 科技・探索・争鸣 ＢＤＳ联合ＧＰＳ单历元动态定位 李振 （同济大学测绘与地理信息学院，中国上海２０００９２） 【摘要】研究ＢＤＳ联合ＧＰＳ动态定位的性能。根据不同类型的观测值分析了各方案模糊度解算和定位性能。实验表明，双系统联合定位 的平面精度为０．３５ｃｍ，优于单系统双频定位的效果；双系统定位中，ＢＤＳ信号的增加对定位的提升影响较小。 【关键词】ＢＤＳ；模糊度解算；动态定位 Ｔｉｍｅ Ｓｉｎｇｌｅ Ｅｐｏｃｈ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｏｆ ＢＤＳ ａｎｄ ＧＰＳ ＬＩＺｈｅｎ （Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｃｏｌｌａｇｅ ｏｆ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ Ｇｅｏ－Ｉｎｆｏｍａｔｌｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９２，Ｃｈｉｎａ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅｓ ｗｉｔｈ ＢＤＳ ａｎｄ ＧＰＳ ｄａｔａ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ０．３５ｃｍ．ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｓｉｎｇｌｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ＢＤＳ；Ａｍｂｉｇｕｉｔｙ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ；ＲＴＫ 利用Ｂｌ和ＬＩ观测值分别实验。表１是实验结果，Ｂｌ和Ｌ１的模 糊度固定比例为８５．３％．６６．３％。方案１在ＮＥＵ三个方向的ＳＴＤ和 北斗卫星导航系统（Ｂｅｉｄｏｕ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ．ＢＤＳ）定位 ＲＭＳ均大于方案２。 及其与其他系统联合定位是研究的热点之一。ＢＤＳ观测值的性能及定 ２．２双系统实验 位效果１２１和模糊度解算的可靠性ｐ喔一项研究的重要内容。各卫星系统 表２双系统实验结果 观测值的特性不同．实际解算中应考虑观测值自身及相互之间的特 Ｔａｂ．２ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍｓ 性。 ０引言 ｓＪｒ ｅｍ ＲＭＳ／Ｃｆｆｌ Ｕ Ｎ Ｅ Ｕ １定位模型 短基线情况下，双差伪距观测方程为： Ｐ＝Ａｘ＋ｄＰ （１） 方案 固定比例 Ｎ Ｅ Ｂ１＋Ｌｌ Ｂｌ＋Ｂ２＋Ｌ１ ｌＯＯ％ ｌ０ｏ％ Ｏ．２４ Ｏ．２６ Ｏ．１６ ０．１７ Ｏ．６５ ０．７８ ０．２４ ０．２６ Ｏ．２３ Ｏ．２２ Ｏ．６５ ０．７８ 其中，Ｐ是伪距观测值，Ａ是设计矩阵， 是位置参数，ａ 是伪距噪 声。双差相位观测方程为： ＝＾ —Ａ。＋ｄ （２） 利用ＢＩ＋Ｌ１、Ｂ１＋Ｂ２＋Ｌ１实验。表２是实验结果。２种方案的模糊 其中， 是相位观测值，＾是相位的波长，。是整周模糊度，ｄ击是相 度固定为１００％，定位结果相近，为０．２６ｃｍ、０。２２ｃｍ、０．７８ｃｍ。 ． 位噪声。两类观测值权矩阵为 和 ，采用最ｄｘ＿－乘法得： ３结语 ｊ 。（日 Ｐ ）Ｈ ＷｅＰ ｌ０＝（ 一 参数的协方差矩阵为！ ｆ 本文通过ＢＤＳ和ＧＰＳ不同的观测值组合方案．比较了单历元模 糊度固定及固定后的定位效果。双系统的模糊度固定概率高于单系 统，双系统的定位精度高于单系统。ｅ ｆ （日 ） ｌ ＝（ ＋日 日）Ａ 得到浮点解后采用ＬＡＭＢＤＡＩ， 法进行整数的估计。 ｆ４ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，２０１４，１９：１－１２． 【参考文献】 ［１］Ｎａｄａｒａｊａｈ Ｎ，Ｔｅｕｎｉｓｓｅｎ Ｐ Ｊ Ｇ，Ｓｌｅｅｗａｅｇｅｕ Ｊ Ｍ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ Ｍｉｘｅｄ－Ｒｅｃｅｉｖｅｒ ＢｅｉＤｏｕ Ｉｎｔｅｒ－Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ－Ｔｙｐｅ Ｂｉａｓ ａｎｄ ｉｔｓ Ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ＲＴＫ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ【Ｊ１ｌＧＰＳ ２实验与分析 ［２］Ｄｅｎｇ ｃ，Ｔａｎｇ ｗ，Ｌｉｕ Ｊ，ｅｔ ａｔ．Ｒｅｌｉａｂｌｅ ｓｉｎｇｌｅ－ｅｐｏｃｈ ａｍｂｉｇｕｉｔｙ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｈｏｒｔ ｏｌｉｎｅｓ ｕｓｉｎｇ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ＧＰＳ／ＢｅｉＤｏｕ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］，ＧＰＳ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，２０１４，１８（３）：３７５— 采用２０１６年５月２４日位于澳大利亚的ＣＵＴＡ和ＣＵＴＢ的２４ｈ ｈａｓ３８６． 观测数据进行实验。采样间隔ｌＯｓ。采用单历元解算。 【３］Ｔｅｕｎｉｓｓｅｎ Ｐ Ｊ Ｇ．ｈｅ Ｔｌｅａｓｔ—ｓｑｕａｒｅｓ ａｍｂｉｇｕｉｔｙ ｄｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ：ａ ｍｅｔｈｏｄ ２．１单系统实验 ｆｏｒ ｆａｓｔ ＣＰＳ ｉｎｔｅｇｅｒ ａｍｂｉｇｕｉｔｙ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｄｅｓｙ，１９９５，７００—２）：６５－ 表１单系统实验结果 ８２． Ｔａｂ．１ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ［责任编辑：田吉捷］ 作者简介：李振（１９９Ｏ一），男，河南周口人，硕士，主要从事ＧＮＳＳ定位研究。 （上接第４７１页ｌ温度传感器的研制【Ｊ１．光谱学与光谱分析，２０１４，３４（６）：１７２２一 ［７］罗小东．长距离光纤传感系统【Ｄ１．成都：电子科技大学，２００８：１—７２． ｌ７２６． ［８］彭杨．表面等离子体共振技术及其在光子晶体光纤传感中的应用研究【Ｄ】．长 沙：国防科学技术大学．２０１２：１—６９． ［５］李涛．光纤光栅湿度传感器的研究［Ｄ】．杭州：中国计量学院，２０１２：１—６７． ［６］沈修锋．光纤传感器的制作工艺及工程应用研究（Ｄ１．北京：北京理工大学， ２０１５：ｌ一６７． ［责任编辑：朱丽娜］ ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎ。ｌ。ｇｙ Ｖｉｓｉ。ｎ科技视界Ｉ ４６９