分布式光纤传感技术在管道泄漏检测中的应用

维普资讯 http://www.cqvip.com ８　传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）　２００６年第２５卷第９期　分布式光纤传感技术在管道泄漏检测中的应用　何存富，杭利军，吴斌　（北京工业大学机电学院，北京１０００２２）　摘要：分布式光纤传感技术由于能够获得被测物理场沿空间和时间上的连续分布信息，非常适合用于　长距离管道泄漏检测。介绍了分布式光纤传感技术在管道泄漏检测中的应用情况和面临的问题，对该技　术在管道泄漏检测中的应用前景进行了展望。　关键词：分布式光纤传感技术；管道；泄漏检测；Ｓａｇｎａｃ效应；光时域反射　中图分类号：ＴＰ２０６．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—９７８７（２００６）０９—０００８—０４　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｎ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｌｅａｋ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ＨＥ　Ｃｕｎ—ｆｕ，ＨＡＮＧ　Ｌｉ－ｊｕｎ，ＷＵ　Ｂｉｎ　ｆ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｅｌｃｔｅｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＢｅＵｉｎｇ　１０００２２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｃａｎ　ａｃｑｕｉｒｅ　ｔｈｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｆｉｌｄ　ａｌｅｏｎｇ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｓｐａｔｉａｌ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ　ｉｔ　ａｄａｐｔ　ｔｏ　ｄｅｔｅｃｔ　ｌｏｎｇ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｌｅａｋ．Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｎｄ　ｍｅｅｔｉａｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｄ　ｏｐｔｅｉｃａｌ　ｆｉｅｒｂ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｎ　ｐｉｅｌｉｐｎｅ　ｌｅａｋ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｓ　ｓｈｏｗｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｅｒ　ｓｅｎｓｉｂｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｐｉｅｌｉｐｎｅ；ｌｅａｋ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｓａｇｎａｃ　ｅｆｆｅｃｔ；ｏｐｔｉｃａｌ　ｔｉｍｅ　ｄｏｍａｉｎ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅ（ＯＴＤＲ）　０引言　合长距离监测，因此，对管道健康监测具有极佳的应用前　景。分布式光纤传感器的主要技术方法有光时域反射　（ＯＴＤＲ）法、干涉法、波长扫描法法、连续波调频法。其中，　管道系统广泛应用于冶金、石油、天然气以及城市水暖　供应等工业部门中，工业管道的工作条件非常恶劣，容易发　生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部的潜在缺陷扩展为破损而　引起泄漏事故。因此，对管道进行监测和诊断成为无损检　测技术应用中的重要方面。　波长扫描法以自然光照射保偏光纤，利用ＦＦｒ算法来确定　模式耦合系数的分布，该方法分辨力高，可达０．３　Ｃｆｆｌ，但测　量范围小，系统成本高，不利于实用化。而连续波调频法属　于光频域反射技术，起步较晚，应用不广泛。因此，实际上　主要应用的分布式光纤传感技术是ＯＴＤＲ法和干涉法。　１　ＯＴＤＲ技术　近年来，管网漏检技术的研究在国内外有了较大的发　展。。］。传统的超声波法、漏磁法、负压波法、射线法、渗透　法等受到极大的挑战。由于这些方法受背景噪声影响较　大，周围环境噪音的干扰给探测有无漏点和漏点定位带来　ＯＴＤＲ技术由Ｂａｍｏｓｋｉ　在１９７６年提出，是实现分布　式光纤传感的关键技术。它的基本原理是光源发出的光在　很大难度，对于检测人员的经验有很强的依赖性，检测距离　也较短，最大上百米。光纤传感器以其特有的特点，如，抗　电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、灵敏度高、耐高温、体积小、重量　沿光纤向前传输的过程中产生后向散射，后向散射光强在　向后传播过程中随着距离增长而按一定规律衰减，在光速　不变的情况下距离与时间成正比。因此，根据探测器探测　轻、测量对象广泛、对被测介质影响小以及成本低等，近年　来得到了极大的发展。到目前为止，光纤传感器已经应用　于磁场、电流、声音、温度以及压力等物理量的测量　“　。　在各种光纤传感技术中，分布式光纤传感技术集传感　到的后向散射光强及其到达探测器的时间，就可以知道沿　光纤路径上任一点的初始后向散射光强。　与传输于一体，可以获得沿光纤分布被测量的连续信息，适　收稿日期：２００６—０４—２９　‘　光的后向散射包括瑞利散射、喇曼散射和布里渊散射　｝基金项目：国家自然科学基金资助项目（１０５７２００９，１０２７２００７）　维普资讯 http://www.cqvip.com 第９期　何存寓等：分布式光纤传感技术在管道泄漏检测中的应用　９　３种形式。其中，瑞利散射是由光纤材料不均匀导致光纤　的折射率不均匀引起的，它是光与物质之间发生的弹性散　射，在散射过程中不发生频移；喇曼散射是光与物质分子振　动间相互作用产生的光学声子；布里渊散射是光纤材料密　度周期性变化产生的声学声子。喇曼散射和布里渊散射都　是非弹性散射，在散射过程中产生频移。研究发现，瑞利散　射不产生频移，但瑞利散射的光强最大。布里渊散射和喇　曼散射都产生频移，布里渊散射的频移较喇曼散射的频移　小，但布里渊散射的光强大于喇曼散射的光强。在光谱中　光频率低于入射光频率的部分称为反斯托克斯光，大于入　射光频率的部分称为斯托克斯光。　在光的后向散射中，瑞利散射的强度相对较大，当外界　物理场在某处扰动光纤时，此处的后向瑞利散射光强会明　显下降，因此，可通过测量后向瑞利散射光强的变化来检测　光纤是否受到扰动。布里渊和喇曼后向散射光强较弱，不　宜测量光强变化，但其频移与温度和应变有关，因此，可以　通过测量频移变化来检测外界物理场的温度或应变。　流体管道可用来输送石油和天然气，当高温、高压的石　油泄漏时会导致周围的温度升高，而气体泄漏时，根据约翰　汤姆逊效应（Ｊｏｕｌｅ－Ｔｈｏｍｓｏｎ）亦称液化效应，周围温度将降　低，根据这一性质可将基于喇曼和布里渊散射的分布式光　纤温度传感器应用到管道泄漏检测中。　１　１　基于瑞利散射的分布式光纤传感器　基于瑞利散射的分布式光纤传感器的原理是光源发出　的光沿光纤向前传播过程中产生后向散射，后向散射光强　在向后运行过程中随着距离增长而按一定规律衰减，在光　速不变的情况下，距离与时间成正比。因此，根据探测器探　测到的后向散射光强及其到达探测器的时间，就可以知道　沿光纤路径上任一点的初始后向散射光强。将ＯＴＤＲ技术　应用到管道泄漏监测中，当管道某处有泄漏发生时，扰动光　纤，使此处的后向散射光强减弱，根据探测器探测到的这一　后向散射光强及其到达探测器的时间可定位泄漏点。这种　方法是以微弱的瑞利散射为基础，系统结构复杂，而且，需　要足够长的时间才能获得较高的信噪比，测试精度也不高。　为了改进这种检测技术，可以将传感光纤做成特种结构，如　将光纤附着在某种聚合体上，当泄漏流体作用到聚合体上　时使聚合体膨胀，导致光纤随聚合体发生弯曲，产生弯曲损　耗，从而降低此处的后向散射光强　‘。　。　Ｓｐｉｒｉｎ　利用ＯＴＤＲ技术开发了用于石油碳氢化合物　泄漏定位的分布式光纤传感器。此传感器利用对碳氢化合　物敏感的丁基橡胶（ｂｕｔｙｌ　ｒｕｂｂｅｒ）聚合体作为基衬，将光纤　布放在聚合体上事先开好的小槽中，用软金属丝将其固定。　由于该机理的限制，这种方法只能用于探测碳氢化合物类　液体泄漏，不能用于其他流体泄漏探测。　１．２　基于布里渊散射的分布式光纤温度／应变传感器　１．２、１　基于自发布里渊散射的分布式光纤温度／应变传感　器　布里渊散射原理是光通过光纤时，光子和光纤中因自　发热运动而产生的声子会产生非弹性碰撞，发生自发布　渊散射。散射光的频率相对入射光的频率发生变化，这一　变化的大小与散射角和光纤的材料特性有关。与布里渊散　射光频率相关的光纤材料特性主要受温度和应变的影响：　因此，通过测定脉冲光的后向布里渊散射光频移就可实现　分布式温度、应变测量。图１是基于自发布里渊散射的分　布式光纤温度／应变传感器的典型结构，激光脉冲发生器发　射一束脉冲光，经光纤耦合器注入传感光纤，当脉冲光在光　纤中传输时，在光纤的脉冲光发射端可以检测自发布里渊　背向散射光，且背向散射光与脉冲光之间的时间延迟提供　对光纤的位置信息的测量。　激光脉　图Ｉ　自发布里渊散射的分布式光纤传感器结构　Ｆｉｇ　Ｉ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ　Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ　Ｓｈｉｍｉｚｕ　Ｋ等人　利用自发布里渊散射技术开发了长　４０ｋｍ的温度／应变分布式光纤传感器，并且，通过相干自　外差检测技术来提高布里渊后向散射信号的信噪比，空间　分辨力为１００ｍ。Ｐａｒｋｅｒ　Ｔ　Ｒ等人　首次利用自发布里渊　散射技术开发了同时进行温度和应变测量的分布式光纤传　感器，在１．２　ｋｍ长光纤上，应变和温度的分辨力分别是１００　×１０　和４℃，空间分辨力为４０ｍ。由于该技术起步比较　早，因此，也较为成熟，目前，在国内外已有基于该技术的产　品投放市场。　１．２．２　基于受激布里渊散射的分布式光纤温度／应变传感　器　受激布里渊散射技术由Ｈｏｒｉｇｕｃｈｉ　９　等人首先提出，基　于该技术的分布式光纤传感器典型结构如图２所示。处于　光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光（泵浦光）与一　连续光（探测光）注入传感光纤，当泵浦光与探测光的频差　与光纤中某区域的布里渊频移相等时，该区域就会产生布　里渊放大效应（当两束泵浦光在光纤中反向传播时，且二　者的频差等于布里渊频移时弱的泵浦信号将被强的泵浦信　号放大，称之为布里渊受激放大作用），两束光相互之间发　生能量转移。由于布里渊频移与温度、应变存在线性关系，　因此，对两束激光器的频率进行连续调节的同时，通过检测　从光纤一端耦合出来的连续光的功率，就可确定光纤各小　维普资讯 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ｌ０　传感器与微系统　第２５卷　段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差，从而得到　温度、应变信息，实现分布式测量。　图２受激布里渊散射分布式光纤传感器　Ｆｉｇ　２　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｂａｓｅｄ　Ｏｉｌ　ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ　Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ　Ｈｏｒｉｇｕｃｈｉ＿９　利用受激布里渊散射技术研究光纤衰减，　并在５．２　ｋｍ长的单模光纤上进行了实验，获得的受激布里　渊散射信号比常规应用光时域反射仪获得的瑞利散射信号　高约１００倍。Ｋｕｒａｓｈｉｍａ等人　。。利用受激布里渊散射技术　开发了分布式光纤温度传感器，并在１．２　ｋｍ长的光纤上进　行实验，温度分辨力为３　ｏＣ，空间分辨力为１００ｍ。Ｂａｏ等　人¨“利用受激布里渊散射技术开发了２２　ｋｍ长分布式光　纤温度传感器，温度分辨力为１℃，空间分辨力为１０ｍ。　该技术在国内外尚处于开发阶段，还未见产品投放市　场，但可以预见，基于受激布里渊散射的分布式光纤温度／　应变传感器由于其动态范围大，测量精度高的特点，必将成　为结构健康监测领域一个热门研究方向。　受激布里渊散射和自发布里渊散射技术存在的主要问　题在于：激光器的稳频对光源和控制系统的要求很高；由于　布里渊频移对温度和应变的变化都敏感，因此，需将温度和　应变引起的频移区分开。　１．３　基于喇曼散射的分布式光纤温度传感器　激光脉冲注入光纤，由于非弹性散射而产生喇曼散射，　其中，背向喇曼散射中因分子能级间的转换，包含有低于入　射光频率的反斯托克斯光和高于入射光频率的斯托克斯　光。反斯托克斯光强较斯托克斯光强大，且对温度更敏感，　当光纤温度升高，背向散射光强度也随之增加。基于喇曼　散射的分布式光纤传感器，其半导体激光器发出的光脉冲　通过耦合器耦合到传感光纤里，经过温度调制的散射光通　过耦合器进入分光器，然后，分别滤出斯托克斯散射光和反　斯托克斯散射光，通过双路光电转换器变成电信号，再把电　信号放大输入到计算机里，对数据处理后，定标为温度。　Ｖｏｇｅｌ等人　等详细的介绍了基于喇曼背向散射的分　布式光纤温度传感器在天然气、石油等管道泄漏检测中的　应用。清华大学的赵洪志等人　利用这一技术开发了分　布式光纤温度传感器，并在长度为１．５　ｋｍ的光纤上进行了　实验，空间分辨力为１５．６ｍ，温度测量精度为７℃。　尽管基于喇曼散射的分布式光纤温度传感技术比较成　熟，且在很多领域有广泛的应用，但其仍存在一定局限性：　喇曼散射的工作波长在９００　ｎｍ左右　，此波长段光纤的　衰减比较大，且喇曼散射光强本身较弱，因此，传感距离较　短。综上所述，基于ＯＴＤＲ技术的分布式光纤传感器已经　较为成熟，市场上也有相应的产品，用于大型结构的健康监　测，但用于管道泄漏监测还有一定的不足：（１）对于长距离　管道泄漏监测，传感器的设计比较麻烦，性价比低；（２）管　道泄漏量较小时，管道周围温度变化不明显，因此，分布式　光纤温度传感器对小泄漏不敏感；（３）由于后向散射光较　弱，因此，检测距离短。　２干涉式分布光纤传感器　干涉式光纤传感器是利用光纤受到所监测物理场感　应，如，温度、旋转、压力或振动等。使导光相位产生延迟，　经由相位的改变，造成输出光的强度改变，进而得知待测物　理场的变化。干涉式分布光纤传感器相对于ＯＴＤＲ技术的　优点是干涉式传感器的的动态范围大、灵敏度高，因此，可　以实现管道小泄漏检测。干涉法中主要应用的是Ｓａｇｎａｃ　干涉仪、迈克逊干涉仪、马赫一增得干涉仪以及各干涉仪之　间混合组成的干涉仪结构。各种干涉仪中，由于基于ｓａ—　ｇｎａｃ效应的光纤陀螺技术较为成熟，因此，基于Ｓａｇｎａｃ效　应的分布式光纤传感技术也最具发展潜力。　２．１　基于Ｓａｇｎａｃ效应的分布式光纤声学传感器　基于Ｓａｇｎａｃ效应的分布光纤声学传感器系统由光源、　光纤环、光电转换器、耦合器、锁相放大器、信号处理和ＰＺＴ　相位调制器几部分组成。光源发出的光经２　ｘ　２耦合器分　光后，分别沿Ｓａｇｎａｃ干涉仪光纤环的顺时针和逆时针方向　传播，并先后经过相关的泄漏点。管道中流体泄漏后产生　的冲击力作用到光纤上，使光纤沿长度发生变化，导致光纤　中传播的导光相位被调制，经调制后的两路光在光电转换　器处发生干涉。由于顺逆两束光经过泄漏点的时间不同，　两路光被调制后产生相位差，根据Ｓａｇｎａｃ效应，两束光在　光电转换器处的干涉信号　为　１＝Ａ＋Ｂｃｏｓ［　（ｔ）＋　ＣＯ８∞　ｔ］，　（１）　式中Ａ和Ｂ正比于输入功率；　（ｔ）为管道中流体泄漏引　起的两束光在干涉仪中的相位差；　ＣＯ８　ｔ为ＰＺＴ相位　调制器产生的高频相位载波信号，其中，　为高频载波引　起的相位振幅；　为载波的角频率。　（ｔ）的表达式为　（ｚ）＝２　ｓｉｎ（　７Ｉｄ／２）・ＣＯＳ　。（ｔ—ｒ／２），　（２）　式中　为泄漏声发射信号引起的相位幅值；　。为泄漏　声发射信号角频率；ｒ　为两光束的相位调制时间差；ｒ为一　束光通过整个光纤环所用的时间。　从式（２）可以看出：相位　（ｔ）是正弦与余弦函数的组　合，由于　是两光束的相位调制时间差，因此，通过确定此　值，再根据光速可判断泄漏位置。对此信号进行ＦＦＴｒ变　换，因泄漏声发射信号是一宽频物理场　，因此，会有一频　率使正弦项为零，即在频谱图中有零值出现，将这一频率称　维普资讯 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第９期　何存富等：分布式光纤传感技术在管道泄漏检测中的应用　为零点频率。由零点频率和其对应的正弦值为零这一条　件，即可求得　ｒ　值。　１９９１年，Ｋｕｒｍｅｒ等人开发了基于Ｓａｇｎａｃ效应的分布式　光纤声学传感器¨　’”　，来检测用以保护地下电缆的管道内　绝缘液的泄漏。　２．２存在的问题　（１）泄漏点的声信号压力及温度对光纤的影响　管道中泄漏的液体或气体将使周围温度发生变化，这　对光纤中的导光相位有一定的影响，目前，还没有一种有效　的温度补偿措施。　（２）光纤对声信号的敏感程度　光纤对声信号的敏感程度直接影响传感器的灵敏度，　使用对声信号敏感的光纤包覆层将极大地改善传感器的灵　敏度和动态范围。目前，还未见光纤包覆材料对声敏感的　相关报道，因此，光纤增敏还有待于进一步研究，这也将是　未来光纤传感在管道泄漏检测中研究的热点和难点。　（３）光纤包覆材料的老化问题　由于光纤长期埋于地下，因此，不可避免会发生老化问　题，发生老化后对光纤不能起到很好的保护作用，使光纤容　易遭到破坏。另一方面，由于包覆层的老化使包覆层的一　些性能遭到破坏，可能会影响其与光纤在变化过程中一致　性的问题。　（４）检测信号的处理算法问题　利用Ｓａｇｎａｃ干涉型分布式光纤传感系统对管道泄漏　信号进行检测，其数据采集量非常大。采集到的信号能否　得到及时处理非常关键，当硬件运行速度确定后就取决于　信号的处理算法，因此，高速有效的算法对于解决这一问题　至关重要。　（５）光路中光强损失问题　由于光路中用到多个光学元件，而任何一个光学元件　都会有插入损耗，因此，设计有效的传感结构，减少光学元　件的使用量，从而降低光路中能量损耗可以提高检测距离　和信号强度。　３结束语　目前，管道泄漏主要以小泄漏为主，占泄漏总量的　７０％，因此，解决小泄漏检测问题显得尤为重要。基于ＯＴ—　ＤＲ技术的分布式光纤传感器虽然较为成熟，且市场上也　有相应的产品，但其不能满足对长距离管道健康状况进行　长期监测以及快速反馈信息的要求，对小泄漏检测更显得　无能为力。而基于Ｓａｇｎａｃ效应的干涉型分布式光纤声学　传感技术在管道泄漏监测中的应用尽管在国内外都还处于　刚刚起步阶段，各方面技术也不成熟，但其高灵敏度、大动　态范围的特点，可实现对小泄漏量的检测。因此，可以预　见，随着研究的深入，基于Ｓａｇｎａｃ干涉式光纤传感技术会　越来越多地应用到管道泄漏检测中，为管道运输的安全性　提供可靠的保障，并将推动长距离管道小泄漏检测技术向　高灵敏度、定位准确、智能化、高性价比方向发展。　参考文献：　［１］　Ｆｕｃｈｓ　Ｈ　Ｖ，Ｒｉｅｈｌｅ　Ｒ．Ｔｅｎ　ｙｅａｒｓ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｌｅａｋ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｂｙ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｓｉｇｎａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ，１９９９，（３３）：　ｌ—ｌ９．　［２］　Ｂｕｃａｒｏ　Ｊ　Ａ，Ｈｉｃｋｍａｎ　Ｔ　Ｒ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｉｆｂｅｒｓ　ｆｏｒ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ，１９７９，１８（６）：　９３８—９４０．　［３］Ｈｏｃｋｅｒ　Ｇ　Ｂ．Ｆｉｅｂｒ—ｏｐｔｉｃ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｏｆ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ［Ｊ］．　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ，１９７９，１８（９）：１４４５—１４４８．　［４］Ｇｉａｌｌｏｒｅｎｚｉ　Ｔ　Ｇ，Ｂｕｃａｒｏ　Ｊ　Ａ，Ｄａｎｄｒｉｇｅ　Ａ，ｅｔ　ａ１．Ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｓｅｎ　ｓｏｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９８２．　ＱＥ－１８（４）：６２６—６６５．　［５］Ｂａｒｎｏｓｋｉ　Ｍ　Ｋ，Ｊｅｎｓｅｎ　Ｓ　Ｍ．Ｆｉｅｂｒ　ｗａｖｅｇｎｉｄｅｓ：ａ　ｎｏｖｅｌ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｏｆｒ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｎｇ　ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ，　１９７６，１５（９）：２１１２—２１１５．　［６］Ｓｐｉｒｉｎ　Ｖ　Ｖ，Ｌｏｐｅｚ　Ｒ　Ｍ，Ｓｈｌｙａｇｉｎ　Ｍ　Ｇ，ｅｔ　ａ１．Ｆｉｂｅｒ　Ｏｐｔｉｃ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｏｆｒ　Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ　Ｌｅａｋ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｔｒａｎｓ－　ｍｉｓｓｉｏｎ／Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＳＰＩＥ—Ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｒ．　ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｆｏｒ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００２，４６９４：３４１—３４８．　［７］　Ｓｈｉｍｉｚｕ　Ｋ，Ｈｏｒｉｇｎｃｈｉ　Ｔ，Ｋｏｙａｍａｄａ　Ｋ，ｅｔ　ａ１．Ｃｏｈｅｒｅｎｔ　ｓｅｆｆ－ｈｅｔｅｒｏ—　ｄｙｎｅ　Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　ＯＴＤＲ　ｏｆｒ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｈｉｆｔ　ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ　ｉｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｅｂｒｓ［Ｊ］．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９４，　１２：７３０—７３６．　［８］Ｐａｒｋｅｒ　Ｔ　Ｒ，Ｆａｒｈａｄｉｏｒｕｓｈａｎ　Ｍ，Ｈａｎｄｅｒｅｋ　Ｖ　Ａ，ｅｔ　ａ１．Ａ　Ｆｕｌｌｙ　ｄｉｓ—　ｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ　ｓｔｒａｉｎ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｕｓｉｎｇ　ｓｐｏｎｔａ－　ｎｅｏｕｓ　Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｌｅｔ．　ｔｅｒｓ，１９９７．９（７）：９７９—９８１．　［９］Ｈｏｒｉｎｇｃｈｉ　Ｔ，Ｔａｔｅｄａ　Ｍ．Ｏｐｔｉｃａｌ－ｉｆｅｂｒ—ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ　ｉｎｖｅｓｔｉａｇｔｉｏｎ　Ｕ—　ｓｉｎｇ　ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ　Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ａ　ｐｕｌｅｓ　ａｎｄ　ａ　ｃｏｎｔｉｎ—　ＵＯＵＳ　ｗａｖｅ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９８９，１４（８）：４０８—４１０．　［１Ｏ］Ｋｕｒａｓｈｉｍａ　Ｔ，Ｈｏｒｉｎｇｃｈｉ　Ｔ，Ｔａｔｅｄａ　Ｍ．Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｕｓｉｎｇ　ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ　Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ　ｉｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｉｌｉｃａ　ｆｉ－　ｅｂｒｓ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９０，１５（１８）：１０３８—１０４０．　［１１］Ｂａｏ　Ｘ，Ｗｅｂｂ　Ｄ　Ｊ，Ｊａｃｋｓｏｎ　Ｄ　Ａ．２一ｋｍ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｅｓｎｓｏｒ　ｕｓｉｎｇ　Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　ｇａｉｎ　ｉｎ　ａｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｉｆｂｅｒ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，　１９９３，１８（７）：５５２—５５４．　［１２］Ｖｏｇｅｌ　Ｂ，Ｃａｓｓｅｎｓ　Ｃ，Ｇｒａｕｐｎｅｒ　Ａ，ｅｔ　ａ１．Ｌｅａｋａｇｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｅｄ　ｆｉｅｂｒ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ［Ｊ］．　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＳＰＩＥ・・Ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｆｏｒ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｅｎ．．　ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．２００１．４３２８：２３—３４．　［１３］赵洪志，李乃吉，赵达尊．对分布式光纤温度传感器背向喇曼　散射信号提取方法的改进［Ｊ］．光学技术，１９９７，（１）：２３—２４．　（下转第ｌ４页）　维普资讯 http://www.cqvip.com 传感器与微系统　与检测电路部分均采用差动结构。机械部分感压薄膜采用　方形带岛结构，当薄膜的岛厚与膜厚比值超过一定值之后，　均布压力作用下岛的位移为一常量，与上下淀积有铝电极　的玻璃键合后便可形成差动平行板电容器，从而对外界压　力进行检测。其主要结构特点是：（１）差动电容既可以将　传感器灵敏度提高１倍，提高传感器的线性，又可以抑制共　模干扰信号，而差放可以消除寄生电容的影响；（２）感压薄　膜的上下面均化学气相沉积上氮化硅，一方面可以利用氮　化硅内较大张应力去平衡薄膜由于浓硼掺杂而带来的内应　力，形成低压测量所需要的平整的感压薄膜¨　，另一方面，　可以利用氮化硅高的介电常数来提高电容值；（３）感压腔　被腔采用ＮａｎｏＧｅｔｔｅｒ技术实现高真空腔的获得，这样，在不　增加传感器尺寸的情况下提高传感器的灵敏度与分辨力。　３结束语　制作量程为１００Ｐａ的硅微超微压传感器从某种程度上　说是对极限的一种挑战，但凭借功能强大的ＭＥＭＳＣＡＤ软　第２５卷　［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ａ，１９９０，２１：１３７—１４１．　［７］Ｊｏｈｎｓｏｎ　Ｒ　Ｈ，Ｋａｒｂａｓｓｉ　Ｓ．Ｓｒｉｄｂａ　Ｕ．Ｓｐｅｌｄｒｉｃｈ．Ａ　ｈｉｓｈ—ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｉｒｂｂｅｄ　ａｎｄ　ｂｏｓｓｅｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ａ．１９９２．３５：９３—９９．　［８］Ｓｃｈｌｉｃｈｔｉｎｇ　Ｈ　Ｓ，Ｏｂｅｒｍｅｉｅｒ　Ｖ．Ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　ｓｉｌｉｏｎ　ｃｅｎｓｓｏｒ　ｆｏｒ　ｖｅｒｙ　ｌｏｗ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｏｆ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ［Ｃ］．　Ｙｏｋｏｈａｍａ：Ｔｒｎｓｄｕｃｅｒａｓ’９３，１９９３．６２８—６３１．　［９］Ｋ０　Ｗ，Ｗａｎｇ　Ｑ．Ｔｏｕｃｈ　ｍｏｄｅ　ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．Ｓｅｎ—　ｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ａ，１９９９，７５：２４２—２５１．　［１０］ＺｈＯＵ　Ｍｉｎ—ｘｉｎ，ＨＵＡＮＧ　Ｑｉｎｇ—ａｎ，ＱｔＮ　Ｍｉｎｇ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｄｅｓｉｇｎ　ｎｄ　ｆａａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｔｒｉｐｌｅ—ｌａｙｅｒｅｄ　ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ｐｒｅｓｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．　Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ａ，２００５，１１７：７１—８１．　［１　１］Ｃａｔｌｉｎｇ　Ｄ　Ｃ．Ｈｉｓｈ—ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｆｏｒ　ｍｅａｓ—　ｕｒｉｎｇ　ｍｅｄｉｕｍ—ｖａｃｕｕｍ　ｇａｓ　ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ａ，１９９８，６４：１５７—１４．６　［１２］ＺｈＡＮＧ　Ｙａ—ｆｎ，Ｓｏｎｂｏｌａ　Ｍａｓｓｏｕｄ—Ａｎｓａｒｉ，ＭＥＮＧ　Ｇｕａｎｇｗｑｉｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ａｎ　Ｕｌｔｒａ—Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ．Ｈｉｓｈ—Ｖａｃｕｕｍ　Ａｂｓｏｌｕｔｅ　Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　Ｐｒｅｓ—　件和日益进步的微加工工艺、封装工艺，借鉴国外产品成功　的设计经验，实现四大难点的技术公关，特别是纳米尺寸的　ＮａｎｏＧｅｔｔｅｒ技术公关，研制出达到国际领先水平的硅微超　ｓｕｒｅ　Ｓｅｎｓｏｒ［ＤＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｅｍｓ—ｉｓｓｙｓ．ｃｏｍ／ｈｎｎｌ／ｔｅｃｈ—　ａｐｅｒｐｓ．ｈｔｍ１．２００１－０１—２１．　［１３］ＷＡＮＧ　Ｙｕｅ—ｌｉｎ，Ｅｓａｓｈｉ　Ｍ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｏ—ｓｔａｔｉｃ　ｓｅｒｖｏ　ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ｖａｃｕｕｍ　ｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ａ，１９９８，　４：６２１３—２１７．　微压传感器是切实可行的，这对促进硅微压力传感器技术　提高和相关产业发展都有着实际意义。　参考文献：　［１］ＢＡＯ　Ｍｉｎ—ｈａｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｗｅｉ—ｙｕａｎ．Ｆｕｔｕｒｅ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏ　ｅｌｅｃｔｏｍｅｃｈａｒｎｉ—　ｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ）［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ａ，１９９６，５６：　１３５—１４１．　［１４］Ｐｅｔｅｒｓｏｎ　Ｋ，Ｐｏｕｒａｈｍａｄｉ　Ｆ，Ｂｒｏｗｎ，ｅｔ　ａ１．Ｒｅｓｏｎａｎｔ　Ｂｅａｍ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｅｎｓＳｏｒ　Ｆａｂｒｉｃａｔｄ　ｗｉｅｔｈ　Ｓｉｌｉｏｎ　Ｆｕｓｉｃｏｎ　Ｂｏｎｄｉｎｇ［Ｃ］．Ｓａｎ　Ｆｒａｎｃｉｓ—　ｃｏ：Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ’９１．１９９１．６６４—６６７．　［１５］Ｔｉｌｍａｎｓ　Ｈ　Ａ　Ｃ．Ｎｏｖｅｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｈｉｓｈｌｙ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｌｏｗ　ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｕｓｉｎｇ　ｂｕｉｌｔ—ｉｎ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｓｔｒａｉｎ　ｇａｕｇｅｓ［Ｊ］．Ｊ．Ｍｉ—　ｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ，１９９３，４：１９８—２０２．　［２］　朱长纯，韩建强，刘君华．微机械传感器的现状与发展［ＤＢ／　ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｐｈｙｓｉｃｓ．ＳＣＵ．ｅｄｕ．ｃｎ／ｂｂｓ．ｈｔｍｌ，２００３—１２—１４．　［３］　Ｃｈａｕ　Ｈ，Ｗｉｓｅ　Ｋ．Ｓｃａｌｉｎｇ　ｌｉｍｉｔｓ　ｉｎ　ｂａｔｃｈ—ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｄｅｖｉｃｅｓ。１９８７，３４：８５—８８．　［４］鲍敏杭，沈绍群，陈宏，等．微压压力传感器的结构改进［Ｊ］．　［１６］Ｄｏｕｇｌｓ　Ｓｐａｒｋｓ，Ｓｏｎｂｏｌａ　Ｍａｓｓｏｕｄ—Ａｎｓａｒｉ，Ｎａｄｅｒ　Ｎａｊａｆｉ，ｅｔｃ．Ｒｅｌｉａ－　ｂｌｅ　Ｖａｃｕｕｍ　Ｐａｃｋａｇｉｎｇ　ｕｓｉｎｇ　Ｎａｎｏｇｅｔｔｅｒｓ　ａｎｄ　Ｇｌａｓｓ　Ｆｒｉｔ　Ｂｏｎｄｉｎｇ　［ＤＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｅｍｓ—ｉｓｓｙｓ．ｃｏｍ／ｈｔｍｌ／ｔｃｈｐｅａｐｅｒｓ．ｈｔ—　ｍ１．２００４—０ｌ—ｌ０．　航空计测技术，１９９５，１５：６—９．　［５］　Ｗｈｉｔｔｉｅｒ　Ｒ　Ｍ．Ｂａｓｉｃ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｎｉｓ—ｏｔｒｏｐｉｃ　ｅｔｃｈｅｄ　ｔｒａｎｓ—　ｖｅｒｓｅ　ｇａｕｇｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｔｒａｎｓｄ—ｕｃｅｒ［ＤＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｎｄｅｖ—　ｃｏ．ｃｏｍ／ｒｅｓｏｕｒｅｅｓ／ｔｅｃｈｐａｐｅｒｓ．ｐｈｐ，１９９５—１０—２１．　［１７］李忻，车录锋，王跃林．一种超薄硅薄膜的制作方法［Ｊ］．功　能材料与器件学报，２００２，８：３８８—４００．　作者简介：　夏文明（１９８１一），男。安徽安庆人，江苏大学硕士研究生，研究　方向为硅微超微压传感器。　［６］ＢＡＯ　Ｍｉｎｇ－ｈａｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｙａｎ，ＹＵ　Ｌｉｎ—ａｚｈｏｎｇ．Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ　ｂｅａｍ—　ｄｉａｐｈｒａｇｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｏｆ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　（上接第ｌｌ页）　［１４］金伟良，张恩勇，邵剑文，等．分布式光纤传感技术在海底管　道健康监测中的应用［Ｊ］．中国海上油气（工程），２００３，　１５（４）：５—９．　Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ，１９８５，７７（３）：９１６—９２３．　［１７］Ｋｕｒｍｅｒ　Ｊ　Ｐ，Ｋｉｎｇｓｌｅｙ　Ｓ　Ａ，Ｌａｕｄｏ　Ｊ　ｓ，ｅｔａ１．Ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ａ　ｎｏ－　ｖｅｌ　ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｅｄ　ｆｉｂｅｒ　ｏｐｔｉｃ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｓｅｎｓｏｒ　ｆｏｒ　ｌｅａｋ　ｄｅｔｃｔｅｉｏｎ［Ｊ］．　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＳＰＩＥ—Ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｆｏｒ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｅｎｇｉ—　ｎｅｅｒｉｎｇ，１９９３，１７９７：６３—７１．　［１５］Ｋｕｒｍｅｒ　Ｊ　Ｐ，Ｋｉｎｇｓｌｅｙ　Ｓ　Ａ，Ｌａｕｄ　Ｊ　Ｓ．Ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｄｆｅｉｂｅｒ　ｏｐｔｉｃ　ａｅｏｎｓ—　ｔｉｃ　ｓｅｎｓｏｒ　ｆｏｒ　ｌｅａｋ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．ＳＰＩＥ　１９９１，１５８６：１１７—１２７．　［１６］Ｗａｓｓｅｆ　Ｗ　Ａ，Ｂａｓｓｉｍ　Ｍ　Ｎ，Ｈｏｕｓｓｎｙ—Ｅｍａｍ　Ｍ．Ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｐｅｃｔｒａ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｌｅａｋｓ　ｆｒｏｍ　ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｈｏｌｅｓ　ａｎｄ　ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ　ｓｌｉｔｓ［Ｊ］．　作者简介：　何存富（１９５８一），男，山西大同人，教授，博导，研究方向为现　代测试技术与方法。