浅谈光纤传感技术的应用与发展

唐江凌 胡君辉

【摘 要】随着光纤技术的不断进步，光纤传感技术在很多的领域得到应用与发展。文章概述了光纤传感技术的特点、分类，介绍了光纤传感技术的新近应用与发展，以期激发更多的科研工作者投身光纤传感技术创新研发，让光纤传感技术在我国经济建设和科学研究方面发挥更重要的作用。

【关键词】光纤传感技术;应用;发展

中图分类号： TP212 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）02-0052-002

【Abstract】With the continuous progress of optical fiber technology， optical fiber sensing technology has been applied and developed in many fields. This paper summarizes the characteristics and classification of optical fiber sensing technology and introduces the recent application and development of optical fiber sensing technology. This is to stimulate more investigator to participate in the innovative research and development of optical fiber sensing technology.

【Key words】Optical fiber sensing technology; Application; Development

光纤传感技术是20世纪70年代发展起来的传感技术，是以光纤通讯技术、电子器件技术、计算机技术等为基础发展起来的。光纤传感技术在光电技术的发展应用中占有十分重要的地位，是衡量一个国家信息化程度的重要标志。

1 光纤传感技术概述

光纤传感技术利用外界量引起的光纤中传播的光的特征参量变化（如波长、频率、相位、强度、偏振态等），对外界量进行测量和数据传输。

1.1 光纤传感技术的分类[1]

根据被外界量调制的光的特征参量的变化情况，通常可将光纤传感技术分为光波长调制、光频率调制、光相位调制、光强度调制和光偏振调制等五种类型。

光波长调制：其基本原理是利用外界量（被测量）改变光纤中光的波长，再通过测量光纤中光的波长的变化，实现对外界量的测量。目前用于光波长调制的方法主要是光学选频和滤波。

光频率调制：利用外界量（被测量）对光纤中传输的光波频率进行调制，通过测量光纤中光的频率的变化来测量外界量。目前光频率调制技术主要利用多普勒效应来实现。

光相位调制：利用外界量（被测量）改变光纤中光的相位，通过检测相位变化来测量外界量的称为光相位调制。因为光波的相位由光传播的物理长度、传播介质的折射率及其分布等参数决定，只要改变上述参数即可产生光波相位的变化，实现相位调制。

光强度调制：利用外界量（被测量）的扰动改变光纤中光的强度，再通过测量输出光强的变化实现对外界量的测量。

光偏振调制：利用外界量（被测量）通过一定的方式使光纤中光波的偏振面发生规律性偏转（旋光）或产生双折射，从而导致光的偏振特性变化，通过检测光偏振态的变化，测出外界被测量。

1.2 光纤传感技术的特点[2]

与传统传感技术相比较，光纤传感技术拥有以下特点：

（1）精度高。光纤传感技术利用光作为信息载体，具有光学测量高灵敏度的特点，可以实现某些精密测量。

（2）抗电磁干扰。光纤传感系统用光纤作为传递信息的媒质，传输的是光信号，因此可以抵抗电磁干扰，特别适用于大电流、强磁场、强辐射等环境。

（3）使用寿命长。光纤的主要材料是石英，外裹高分子材料的包层，这使得它具有相对于金属传感器更大的耐久性。

（4）測量对象广泛。可以测量压力、位移、温度、速度、浓度、PH值等各种物理量、化学量、生物量等。

（5）可分布式测量。利用光纤可以实现长距离连续测控，并由此形成大范围、连续式的监测区。

2 光纤传感技术发展

近年光纤传感技术取得了较快的发展，其中比较突出地体现在以下几个方面：

2.1 分布式光纤传感技术[3]

分布式光纤传感技术利用光纤作为传输信号介质，同时利用光纤作为传感敏感元件，能够沿着光纤铺设路径连续地对被测量进行测量，同时获取在传感光纤区域内随空间和时间变化的被测量的分布信息。分布式光纤传感技术可以实现大范围、长距离、长期的连续传感，是今后光纤传感器的一个重要发展方向。当前分布式光纤传感技术主要包括：基于自发及受激拉曼散射的分布式传感技术，后向瑞利散射分布式光纤传感技术，前向传输模耦合技术以及基于自发及受激布里渊散射的分布式光纤传感技术等。这些技术都是建立在各种散射机理基础上的，它们大都拥有具有原理简单、成本低、温度分辨率高、空间分辨率高的优点。

2.2 光纤光栅传感技术[4]

光纤光栅传感技术是一种典型的光波长调制型光纤传感技术。光纤光栅传感技术机理为：被测量（温度、压力、压强、位移、加速度、应变、电流、电压、频率、磁场、浓度、振动等）作用于光纤光栅上，从而使光纤光栅的反射和透射谱发生变化。通过检测光纤光栅反射谱或透射谱的变化，就可以获得相应的被测量信息。光纤光栅传感技术的一个重要的优点是可以组成阵列传感系统，实现分布式传感。目前，国内外已经开展了广泛而深入的研究并且取得了很多重要的研究成果，其主要技术有波分复用、时分复用以及混合复用。

2.3 微纳光纤传感技术

微纳光纤传感技术中使用的光纤，其直径接近或小于传输光波长，具有尺寸小、表面光滑、直径均匀性好、机械性能高、光场约束能力强、强倏逝场、表面场增强效应及反常波导色散等特性，在制备灵敏度高、响应速度快、能耗低的紧凑型光纤传感器方面具有独特优势。其机理为：当被测量发生微小扰动时，通过散射、吸收、色散、发光等方式改变微纳光纤传输光的特性，可使输出光的强度、相位等发生变化，进而测算出被测量信息。按照传感变量的不同，微纳光纤传感技术可分为强度型传感技术和相位型传感技术等。当前，微纳光纤传感技术面临的主要问题有：微纳光纤传感器的集成与封装、微纳光纤的大规模可控制备等。

2.4 智能化光纤传感技术[5]

目前光纤传感的智能化主要体现在光纤传感技术与计算机技术、通信技术的融合。智能化光纤传感技术，使用单片机、虚拟仪器以及DSP芯片等方式，实现数据及信号的获取、传输、存储、控制、处理。通过多层次的计算功能（如时频分析、现代谱分析等），实现各种智能化功能，使传感成为集数据及信号获取、传输、存储、控制、处理于一体的多功能系统。

3 光纤传感技术在各领域的应用

当前，光纤传感技术已广泛用于国防军事、建筑工程、能源电力、生物学及医疗等领域。

3.1 国防军事领域

在空防领域，光纤转动传感技术利用光纤转动传感器测量导弹运动过程中的俯仰角、偏航角和横滚角，以精确引导导弹命中目标。

在海防领域，由于潜艇噪声降低，传统的电声纳探测灵敏度接近极限值，基于干涉型的光纤水听技术已经广泛应用于构建海防警戒系统。

3.2 建筑工程领域

应用于工程领域的光纤传感技术主要有光纤光栅传感技术、拉曼光时域反射技术、布里渊光时域分析技术等。这些技术利用，在建筑中预埋传感器，可以监测应力场、温度场以及渗流场等的变化，从而评估建筑短期施工状态和长期营运状态。

3.3 能源电力领域

能源电力行业中很多工作环境是处于高辐射、高电磁干扰之下。光纤传感技术中使用的传感器具有抗辐射、抗电磁干扰能力，目前已经开始使用于能源电力领域。例如：基于光时域反射技术的分布式光纤传感技术就在高压测量中得到广泛应用。

3.4 生物学及医疗领域

近年来，光纤表面等离子激元共振传感技术在生物学和医学领域得到很好的应用。光纤表面等离子激元共振传感技术克服了传统等离子激元共振技术检测系统体积大、仪器价格昂贵、维护成本高、难于实现遥测及在线监测等局限，具备特异识别功能强、响应速度快、分辨率高、灵敏度高等技术优点，可实现灵巧系统、在线遥测及免标记生化测量等，有效地推动了相关检测技术的发展和普及。

4 我国光纤传感技术发展和应用方向

我国的光纤传感技术已经取得了长足的进步，但是也还有不少待研究解决的课题，今后发展和应用方向有：

（1）如何提高分布式传感的空间分辨率、灵敏度，以便设计复杂的光纤传感网络。

（2）如何提高光纤传感系统的多用途性，使得光纖传感系统能够对各种物理量、化学量、生物量进行多种测量。

（3）如何通过改进接口技术等方法使得光纤传感系统实现智能化。

（4）如何降低光纤传感系统成本，促使其产业化、商业化等。

5 结束语

随着我国改革开放的进一步深入，我国国防军事、建筑工程、能源电力、生物学及医疗等领域必将迎来新的高速发展时期。把光纤传感技术应用到这些领域中，将会推动这些行业加速发展，更好地满足国家建设需求。

【参考文献】

[1]王秀彦，吴斌，何存富，等.光纤传感技术在检测中的应用与展望[J].北京工业大学学报，2004，30（4）：406-411.

[2]莫淑华.光纤传感技术在力学测试中的发展与应用[J].哈尔滨师范大学自然科学学报，2000，16（2）：51-55.

[3]胡晓东，刘文晖，胡小唐.分布式光纤传感技术的特点与研究现状[J].航空精密制造技术，1999，35（1）：39-41.

[4]李川，张以谟，赵永贵，等.光纤光栅传感技术[M].光纤光栅：原理、技术与传感应用.北京：科学出版社，2005.

[5]王燕花.新型光纤传感系统的研究与实现[D].北京：北京交通大学，2009.