光纤传感器技术的研究简史

欧阳菲菲

摘  要：光纤在工业和通信中的大量应用使得光纤材料的成本和性能在近年来进步非常快。这使得光纤传感器在旋转、加速度、电磁场测量、温度、压力、声学、振动、位移和角度、应力、湿度、黏滞性、化学测量等诸多应用领域都具备了替代传统传感器的能力 [1]。本文将介绍光纤传感器的几种基本类型以及它们的具体应用，尽可能展现出光纤传感器技术的发展现状。

关键词：光纤传感器;调制型光纤传感器;分布式传感器;传感器的应用

引言

光纤传感技术是20世纪70年代末发展起来的一种新型传感技术，是随着实用光纤和光通信技术的发展而形成的。1970年，康宁公司研制出世界上第一种传输损耗为20dB/km的实用石英光纤。在随后的十年里，以光纤为传输介质的光纤通信从实验室发展阶段迅速发展成为通信领域的一大产业。在光纤通信系统中，光纤容易受到温度、压力等环境因素的影响，导致光强度、相位、频率等光波参数的变化，对通信应用造成危害。然而，它为信息的直接交换奠定了新的基础，并推导出光纤传感器的新技术。

光电子学和光纤通信的进步带来了许多新的产业的革命，光纤不仅可以作为一种传输介质，同时也可以用来设计传感系统。利用光纤作为传感元件，或者通过光纤来和传感元件联系的技术都包含在光纤传感器技术的范畴内，光纤传感器技术现在已经是光纤技术中的一个重要分支。光纤质量轻、体积小、电绝缘、容易组成光纤传感网络。这些都使它拥有了其它电子传感器件不具备的优势。

光纤传感技术的发展大致可分为三个主要阶段[2]：第一阶段是传输型光纤传感器。20世纪70年代末，光纤作为信息交换的基础，通过光纤器件将光纤中的光传导与频带测量连接起来。第二阶段是单模光纤调制技术。单模光纤的深入应用形成了强度、相位、波长、偏振、时分、频率、光栅等光纤传感技术。20世纪80年代中后期，光纤传感器近100种，开始投入实际应用。第三阶段，90年代中后期，光纤传感技术逐渐形成了智能结构、工业、生物医学、自然生态和人居五大领域。

1.光纤传感器的构成及分类

光纤传感器由光源、入射光纤、输出光纤、光调制器、光检测器和解调器组成。其基本原理是通过入射光纤将光源的光送到调制区，并与调制区的外部测量参数相互作用，使光的强度、波长、频率、相位、偏斜等光学特性正常，等）的光变为调制信号光，然后通过输出光纤将其发送到光检测器和解调器，获得测量参数。根据传感原理，光纤传感器可分为两类：一类是光传输（非功能）传感器，另一类是传感（功能）传感器。在光纤传感器中，光纤只是光的传输介质，被测信号的传感由其他敏感元件完成。在这种传感器中，输出光纤和入射光纤是不连续的，两者之间的调制器是光谱变化或其它特性的敏感元件。在传感式光纤传感器中，光纤对被测信号和光信号的传输都很敏感。它结合了信号的“传感”和“传输”，因此这种传感器中的光纤是连续的。

由于光纤在这两种传感器中的作用不同，对光纤的要求也不同。在透光传感器中，光纤只起到透光的作用。通信光纤甚至普通多模光纤的使用可以满足要求，敏感元件可以采用优质材料灵活实现。因此，这种传感器的灵敏度可以很高，但需要更多的光耦器件，而且结构复杂。传感光纤传感器的结构相对简单，一些耦合器件可以少用，但对光纤的要求较高，因此往往需要使用对被测信号敏感、传输特性好的专用光纤。目前，光纤传感技术在实际中应用较多，但随着光纤制造技术的进步，光纤传感技术将得到广泛的应用。

根据光在光纤中的调制原理，光纤传感器可分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制、波长调制等。到目前为止，光纤传感器可以测量70多种物理量。

2 光纤传感器的应用

光纤传感器的应用十分广泛，因为它独特的物理光学性质使光纤传感器几乎可以用来测量所有能够想到的物理量。下面选取一些具体案例来进行介绍。

2.1光学层析成像 [2][3][4]

光层析成像技术主要有光相干层析成像（Optical Coherence Tomography，OCT），光过程层析成像（Optical Process Tomography，OPT）光弥散层析成像（Diffuse Optical Tomography，DOT）等。其中 OCT 采用低相干干涉技术（白光干涉或宽光谱干涉）和共焦显微镜原理，对生物样品内部组织细微结构成像的分辨能力达到微米量级。OCT 技术可以使临床上实现对人体组织非接触且无损伤的诊断和动态监测。DOT 利用生物组织被近红外光远阵列发出的光照射，经过镜面反射，多次散射和吸收后被光探测器阵列接收。OCT 和 DOT 技术在生物和临床医学方面都有广阔应用前景。OPT 的特点是光通过介质时光强度的变化与光路上不同介质的分布及介质的衰减有关。当被测介质在各个方向或位置有足够多的投影数据时，可以利用一定的重建算法将被测信息用图像的形势变现出来。光纤体积小，安全性高，不受电磁干扰以及能够进行组成分布式测量网络的优点在这里就体现出来了。

2.2 光纤传感器在工程领域中的应用

随着光纤传感技术的发展，它在土木工程领域得到了广泛的应用。分布式光纤传感器可以测量混凝土结构的变形和内应力，检测大型结构和桥梁的健康状况，其中最重要的是将光纤传感器作为一种新型的应变传感器。

该光纤传感器可以附着在结构表面进行测量，也可以嵌入到结构内部实现对结构内部物理量的测量。利用预埋式光纤传感器，可以测量混凝土结构在内部损伤过程中的内部应变。根据荷载-应变曲线的斜率，可以确定结构内部损伤的形成和扩展方式。同时，分布式光纤温度传感器也可以应用于建筑中。

2.3 其他

光纤传感器在能源领域也有很多应用。它可以做成电流传感器，检测传输电缆的负载。利用多元 FBG 分布式光栅，可以远距离的检测在恶劣环境下的电缆的情况。光纤传感器因为其不受电磁干扰，耐腐蚀，可以组成长距离监控网络等优点，在核电，风能发电等领域也有广泛应用。此外光纤传感器在航天器也有很多应用。它可以用来检测飞机及航天器的温度，检测机身和机翼各部位压力，作为陀螺仪等。光纤传感器还可以用在石油工业，它可以用来探测底下石油的流量，温度。

3 小结

自从光纤发明以来，光电子技术和光纤技术在不断地飞速发展。经历了二十多年的研发阶段，光纤传感技术已经进入了实用化阶段，形成了光纤传感器的一个新领域。不少光纤传感器以其特有的有点，逐渐替代传统的电子传感器。利用光纤传感器技术制造的系统可以把传统电子仪表系统改造成更为安全可靠的光纤式仪表系统。

此外，随着光子晶体、纳米材料等领域的发展，新的原理不断应用到光纤传感器技术中，光纤传感器技术和这些新技术互相推动着各自的发展。光纤传感器具有很多优点，如何把实验室中开发出的新型传感器投入到实际应用中，提高稳定性并，降低光纤传感器的使用成本仍然是新时代光纤传感技术的重要课题。

参考文献

[1]  Gholamzadeh B，Nabovati H. Fiber optic sensors[J]. World Academy of Science，Engineeringand Technology，2008，42（3）：335-340.

[2]  李川 等 2012.光纖传感技术 北京：科学出版社

[3]  刘铁根 江俊峰 等 2012.11 分立式光纤传感技术与系统 北京：电子工业出版社