光纤传感器的发展综述

王庆波　窦超

【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一。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

0 绪论

光纤通信与光纤传感技术的研究始于20世纪60年代。光纤传感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术[1]。

1 光纤传感器的分类

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，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环境的变化[2]。

2 光纤传感技术的发展

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），传感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化，这就是干涉型光纤传感器的工作原理。目前最常用的干涉型光纤传感器有：迈克尔逊（Michelson）干涉型光纤传感器、马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉型光纤传感器、法布里-珀罗（Fabry-Perot干涉型光纤传感器、萨格纳克（Sagnac）干涉型光纤传感器。

与传统光纤干涉仪传感器相比，全光纤M-Z干涉儀传感器的结构更为简单。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。

2013年，Hu Liang等人[3]将一段液体填充的光子晶体光纤熔接到单模光纤上，构成了一种M-Z干涉仪，其温度和力传感的灵敏度分别为16.49nm/°C和-14.595nm/N。2014年Wen-Hui Ding等人[4]通过在单模光纤尾端熔接一小段光子晶体光纤，制成一种光纤F-P型温度传感器，在25到300°C范围内温度响应灵敏度达到-0.011nm/°C。

2.2 光纤光栅传感器

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neff和栅格周期？撰受温度和应变的影响，布拉格波长会随温度？姿Beagg=2neff？撰和应变的变化产生漂移，这就是光纤光栅传感器的原理[5]。

2010 年，Yan Feng等人[6]制作了光纤光栅温度传感器，实验表明在35到95°C的温度段，温度响应灵敏度为0.02nm/°C。2013年，Xinpu Zhang等人[7]利用多模光纤光栅多峰的特点，解决了在光纤传感领域一直困扰大家的温度、折射率等多物理量的交叉敏感问题。

2.3 光纤SPR传感器

光纤表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）传感器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-包层界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分析待测样品的参数变化。

20世纪90年代，新型光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）[12]开始进入科研人员的视野。2006年，Hassani 等人提出了两种基于PCF的SPR传感器[8]，在 PCF的第二层空气孔内壁镀上金属膜。空气孔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，仿真结果表明这种传感器的分辨率能达到10-4RIU。

3 光纤传感器的应用

由于具有体积小、质量轻、灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘性好、抗电磁干扰等诸多优点，光纤传感器已经在很多领域被广泛应用。

3.1 土木工程中的应用

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。

3.2 电力系统中的应用

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，保证电力传输的稳定性以及安全性。

3.3 工业生产中的应用

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、气等生产参数的动态检测。

3.4 生物医学中的应用

光纤传感器有不受射频和微波的干扰，绝缘性好等优点，同时对生物体有着良好的亲和性，因此光纤温度、压力传感器被应用于生物医学等领域的PH值测量、血液流速测量、医用图像传输等方面。

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，需要人们不断探索。

【参考文献】

[1]周金龙.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].厦门：厦门大学，2008：1-118.

[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，2014：1-56.

[3]陈金平.基于Mach-Zehnder干涉的光纤传感器的特性研究[D].宁波：宁波大，2014：1-56.

[4]赵娜，等.基于光纤粗锥型马赫-曾德尔干涉仪的高灵敏度温度传感器的研制[J].光谱学与光谱分析，2014，34（6）：1722-1726.

[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[D].北京：北京理工大学，2015：1-67.

[7]罗小东.长距离光纤传感系统[D].成都：电子科技大学，2008：1-72.

[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.

[责任编辑：朱丽娜]