光纖傳感器綜述

黃健 丁學(xué)文 高陸 王春鵬 田煜寅

摘 要：光纖傳感器是一種基于光纖傳感技術(shù)逐步形成的有廣泛應(yīng)用前景的新型傳感器。本文對光纖傳感器的基本組成及原理、特點(diǎn)和發(fā)展歷程和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)綜述，介紹了光纖應(yīng)力傳感器、光纖陀螺儀這兩種典型光纖傳感器的原理及應(yīng)用，指出了此類光纖傳感器在應(yīng)用過程中具體應(yīng)用方法，并分析此類光纖傳感器的性能指標(biāo)和性能參考方法。

關(guān)鍵詞：光纖傳感器;組成;原理;特點(diǎn)

一、引言

傳感器在科技領(lǐng)域及實(shí)際應(yīng)用中占有十分重要的地位，各種類型的傳感器早已廣泛應(yīng)用于各個學(xué)科領(lǐng)域。近年來，各類傳感器朝著靈敏、精巧、適應(yīng)性強(qiáng)、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。光纖傳感器具有的性價比高、復(fù)用性好、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾、頻帶范圍寬、易與光纖傳輸系統(tǒng)組成遙測網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。本文從光纖傳感器的基本原理及特點(diǎn)、光纖傳感器的發(fā)展歷程、光纖傳感器的應(yīng)用原理、光纖傳感器的應(yīng)用以及光纖傳感器的發(fā)展趨勢五個廣泛方面對光纖傳感器進(jìn)行介紹。

二、光纖傳感器的基本原理及特點(diǎn)

光纖傳感器的發(fā)現(xiàn)起源于探測光纖外部擾動的實(shí)踐，在實(shí)踐中，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)光纖受到外界環(huán)境的變化時，會引起光纖內(nèi)部傳輸光波參數(shù)的變化，而這些變化與外界因素成一定規(guī)律，由此發(fā)展出光纖傳感技術(shù)。

2.1基本原理

圖1是光纖傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖。光纖傳感器通常由光源（入射光波）、傳輸光纖、傳感元件或調(diào)制區(qū)、光檢測等部分組成。描述光波特征的參量很多，如光強(qiáng)、波長、振幅、相位、偏振態(tài)和模式分布等，這些參量在光纖傳輸中都可能會受外界影響而發(fā)生改變。光纖傳感器就是利用這些參量隨外界因素變化的關(guān)系來檢測各相應(yīng)物理量的大小。

2.2 特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的傳感器不同，光纖優(yōu)良的物理化學(xué)、機(jī)械以及傳輸性能，使光纖傳感器具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

（1）靈敏度高：由于光是一種波長極短的電磁波，通過光的相位便得到其光學(xué)長度。

（2）抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全：由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖是電絕緣、耐腐蝕的傳輸媒質(zhì)，同時安全可靠。

（3）測量速度快：光的傳播速度快且能傳送二維信息，因此可用于高速測量。

（4）信息容量大：被測信號以光波為載體，而光的頻率極高，所容納的頻帶很寬，且同一根光纖可以傳輸多路信號。

（5）適用于惡劣環(huán)境：光纖是一種電介質(zhì)，耐高壓、耐腐蝕、抗電磁干擾，可用于其它傳感器無法適應(yīng)的惡劣環(huán)境中。

此外，光纖傳感器還具有質(zhì)量輕、體積小、可彎曲、測量對象廣泛、復(fù)用性好、成本低等特點(diǎn)。

三、光纖傳感器的發(fā)展歷程

90年代初我國開始了光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用研究，國內(nèi)一些高校對光纖光柵傳感器應(yīng)用于橋梁檢測進(jìn)行了大量研究，并進(jìn)行了一些工程應(yīng)用，取得了較好的效果，而且武漢理工大學(xué)在光纖光柵解調(diào)儀的研發(fā)上取得了很大成功，其主要技術(shù)參數(shù)達(dá)到國際同類產(chǎn)品的水平;2003年6月同濟(jì)大學(xué)主持的盧浦大橋健康檢測項(xiàng)目中，采用了光纖光柵傳感器用于檢測大橋在各種情況下的應(yīng)力應(yīng)變和溫度變化情況，該項(xiàng)成果還在東海大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了體現(xiàn);南京大學(xué)主要對布里淵光時域反射（BOTDR）技術(shù)的工程應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究工作，并在玄武湖隧道監(jiān)測項(xiàng)目中取得了較好的效果;中國計(jì)量學(xué)院主要研發(fā)拉曼光時域反射ROTDR技術(shù)，目前產(chǎn)品已經(jīng)在國內(nèi)多家單位應(yīng)用，其主要性能指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。“中國2010年遠(yuǎn)景規(guī)劃”已將傳感器列為重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一，傳感器的市場需求和發(fā)展空間的潛力是非常大的。

四、光纖傳感器的應(yīng)用原理

4.1 應(yīng)用原理

4.1.1光強(qiáng)調(diào)制型

這是一種利用被測量的變化引起光纖中的光強(qiáng)發(fā)生變化的光纖傳感器。能夠引起光纖中光強(qiáng)發(fā)生變化的因素有：改變光纖的微彎狀態(tài)， 改變光纖對光波的吸收特性， 改變光纖包層的折射率。下面分別討論利用以上三個因素制成的光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器的應(yīng)用原理。

（1）改變光纖的微彎狀態(tài)

它是利用多模光纖在受到彎曲時， 一部分纖芯模式能量會轉(zhuǎn)化為包層模式能量這一原理，可通過測包層模式能量的變化來測量位移。

（2）改變光纖對光波的吸收特性

X射線和C射線會使光纖材料的吸收損耗增加，從而使光纖輸出功率減小。利用這一原理可以制成光纖輻射傳感器，用于核電站等強(qiáng)輻射地域大范圍的監(jiān)測。

（3）改變光纖包層的折射率

全內(nèi)反射光纖傳感器，它的光纖端面的角度被磨成恰好等于臨界角。從纖芯輸入的光將從端面全反射，經(jīng)反射鏡再沿原路返回輸出。當(dāng)被測參量發(fā)生變化時，光纖端面包層的折射率也發(fā)生變化，全反射的條件被破壞，因而輸出光強(qiáng)下降。

4.1.2相位調(diào)制型

這類傳感器的基本原理是利用被測參量對光學(xué)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率、傳感常數(shù)或光強(qiáng)發(fā)生變化，從而使光的相位隨被測參量而變，然后用干涉儀進(jìn)行解調(diào)，即可得到被測參量的信息。Michelson光纖干涉儀，它利用一個光纖定向耦合器構(gòu)成雙光束干涉儀，兩光纖之一為參考臂，另一為傳感臂。被測參量的變化可直接引起干涉儀中傳感臂光纖的長度和折射率發(fā)生變化，從而引起光纖中光波相位的變化。

光纖Sagnac干涉儀當(dāng)環(huán)形光路相對慣性空間有一角速度 Ω 時（設(shè)Ω 垂直于環(huán)路平面），則對于順、逆時針傳播的光，將產(chǎn)生一非互易的光程差

式中，A是環(huán)形光路的面積;c為真空中的光速。當(dāng)環(huán)形光路是由N圈單模光纖組成時，對應(yīng)順、逆時針光路之間的相位差為

式中λ是真空中的波長。

4.1.3偏振態(tài)調(diào)制型

被測參量可使光纖中光波的偏振態(tài)發(fā)生變化，檢測該種變化的光纖傳感器稱為偏振態(tài)調(diào)制型。最典型的是測量大電流用的光纖電流傳感器?；驹硎抢霉饫w材料的法拉第效應(yīng)，即光纖處于磁場中，磁場使光纖中光波的偏振面旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角D與磁場強(qiáng)度H、磁場中光纖的長度L滿足：D=KHL，K為光纖材料系數(shù)。由長直載流導(dǎo)線在周圍空間產(chǎn)生的磁場 H=I/2PR，R是光纖與載流導(dǎo)線間的垂直距離，則D=KLI/2PR只要測出H，L，R即可求出導(dǎo)線中的電流。圖3為其原理圖。這種測電流的方法測量范圍大、靈敏度高、與高壓線無接觸，使輸入輸出端實(shí)現(xiàn)了電絕緣。

4.1.4波長調(diào)制型光纖傳感器

利用外界因素引起的光纖中光波波長的變化來探測物理量等各種參量的傳感器稱為波長調(diào)制傳感型光纖傳感器。以光纖布拉格光柵傳感器為例，又光纖光柵的布拉格方程可知，應(yīng)力引起光柵布拉格波長漂移可以由下式描述：

式中△Λ 表示光纖本身在應(yīng)力作用下的彈性形變;Δneff? 表示光纖的彈光效應(yīng)。外界不同的應(yīng)力狀態(tài)將導(dǎo)致△Λ 和 Δneff 的不同變化。一般情況下，由于光纖光柵屬于各向同性柱體結(jié)構(gòu)，所以施加于其上的應(yīng)力可在柱坐標(biāo)系下分解為 σr? ，σθ和 σz? ?三個方向。只有σz? 作用的情況稱為軸向應(yīng)力作用，σr? 和 σθ 稱為橫向應(yīng)力作用，三者同時存在為體應(yīng)力作用。與此類似，環(huán)境溫度的變化會引起光柵布拉格波長漂移，由此可測量環(huán)境溫度的變化。

五、光纖傳感器的應(yīng)用

5.1光纖傳感器的應(yīng)用

光纖傳感器的應(yīng)用非常廣泛，幾乎涉及國民經(jīng)濟(jì)的所有重要領(lǐng)域和人們的日常生活，加快了經(jīng)濟(jì)社會的建設(shè)與發(fā)展。

（1）光纖傳感器在石油領(lǐng)域中的應(yīng)用

在石油領(lǐng)域中需要測量的量很多，其中主要有地表輸油管道的流量測量以及地下油井流量的測量，流量是確定石油產(chǎn)業(yè)和傳輸特性極重要的參數(shù)。

（2）光纖傳感器在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

光纖聲納陣，聲納是現(xiàn)代反潛戰(zhàn)中的主要探測手段，利用光纖聲納陣可探測水下的潛艇。

光纖陀螺儀，光纖陀螺儀可應(yīng)用在各種制導(dǎo)武器中，它在測量導(dǎo)彈的姿態(tài)、實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)、控制和目標(biāo)跟蹤中占有極其重要地位，它對提高制導(dǎo)武器的制導(dǎo)精度起著關(guān)鍵性和決定性作用。

（3）光纖傳感器在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

醫(yī)用傳感器是醫(yī)學(xué)測量儀器的第一環(huán)節(jié)，是醫(yī)學(xué)儀器與人體直接耦合關(guān)鍵的器件。它在從定向醫(yī)學(xué)走向定量醫(yī)學(xué)發(fā)展過程中起到了重要作用，特別是光纖傳感器在觀察體內(nèi)器官、傳遞形態(tài)學(xué)檢查圖像中起到重要作用。

（4）光纖傳感器在土木工程中的應(yīng)用

光纖傳感器在土木工程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在：①監(jiān)控結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與變形;②對結(jié)構(gòu)開裂進(jìn)行檢測;③對大體積混凝土測溫;④組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，遙控監(jiān)測結(jié)構(gòu)性能;⑤結(jié)構(gòu)安全預(yù)示報警。

六、光纖傳感器的發(fā)展趨勢

光纖傳感技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，滿足了各類控制裝置及系統(tǒng)對信息的獲取與傳輸提出的更高要求，使得各領(lǐng)域的自動化程度越來越高，同時對作為系統(tǒng)信息獲取與傳輸核心器件的光纖傳感器也提出了更高的要求，今后光纖傳感器將朝著全光纖微型化、多參量實(shí)時化、高精度實(shí)用化、陣列化網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

七、結(jié)語

在現(xiàn)代信息社會中，傳感器技術(shù)發(fā)展迅猛，其中光纖傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)良的特性被廣泛的應(yīng)用。隨著我國社會、經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展，光纖傳感器無論是在工藝、集成度還是特性都會有廣闊的發(fā)展前景?？梢?，光纖傳感器勢必在未來的傳感技術(shù)領(lǐng)域中地位越來越重要。

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作者簡介：

黃?。?997-），男，本科，研究方向光電一體化、智能控制等;

丁學(xué)文（1976-），男，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)。