光纖傳感器的原理、分類、特點以及技術(shù)熱點和類型

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,信息的獲得顯得越來越重要。傳感器正是感知、檢測、監(jiān)控和轉(zhuǎn)換信息的重要技術(shù)手段。光纖傳感器是繼光學(xué)、電子學(xué)為一體的新型傳感器。

光纖傳感器是利用光導(dǎo)纖維的傳光特性，把被測量轉(zhuǎn)換為光特性（強度、相位、偏振態(tài)、頻率、波長）改變的傳感器。它是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。

與以往的傳感器不同,光纖傳感器將被測信號的狀態(tài)以光信號的形式取出。光信號不僅能被人所直接感知,利用半導(dǎo)體二極管如光電二極管等小型簡單元件還可以進行光電、電光轉(zhuǎn)換,極易與一些電子裝配相匹配,；另外光纖不僅是一種敏感元件,而且是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線。因此,光纖傳感器還可用于傳統(tǒng)的傳感器所不適用的遠距離測量。

光纖傳感包含對外界信號(被測量)的感知和傳輸兩種功能。所謂感知，是指外界信號按照其變化規(guī)律使光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ奈锢硖卣鲄⒘?，如強?功率)、波長、頻率、相位和偏振態(tài)等發(fā)生變化，測量光參量的變化即感知外界信號的變化。這種感知實質(zhì)上是外界信號對光纖中傳播的光波實施調(diào)制。所謂傳輸,是指光纖將受外界信號調(diào)制的光波傳輸?shù)焦馓綔y器進行檢測，將外界信號從光波中提取出來并按需要進行數(shù)據(jù)處理，也就是解調(diào)。

因此，光纖傳感技術(shù)包括調(diào)制與解調(diào)兩方面的技術(shù),即外界信號(被測量)如何調(diào)制光纖中的光波參量的調(diào)制技術(shù)(或加載技術(shù))及如何從已被調(diào)制的光波中提取外界信號(被測量)的解調(diào)技術(shù)(或檢測技術(shù))。

光纖傳感器的基本原理

光纖( Optical Fiber)是光導(dǎo)纖維的簡稱，光纖的主要成份為二氧化硅，由折射較高的纖芯、折射率較低的包層及保護層組成。纖芯為直徑大約0.1 mm左右的細玻璃絲，把光封閉在其中并沿軸向進行傳播的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。光纖傳感器的發(fā)現(xiàn)起源于探測光纖外部擾動的實踐，在實踐中，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)。

光纖對許多外界參數(shù)有一定的敏感效應(yīng)。研究光纖傳感原理就是研究如何應(yīng)用光纖的這些效應(yīng)，研究光在調(diào)制區(qū)內(nèi)與外界被測參數(shù)的相互作用，實現(xiàn)對外界被測參數(shù)的“傳”和“感”的功能，這是光纖傳感器的核心。

在光通信系統(tǒng)中，光纖被用作遠距離傳輸光波信號的媒質(zhì)。顯然，在這類應(yīng)用中，光纖傳輸?shù)墓庑盘柺芡饨绺蓴_越小越好。但是，在實際的光傳輸過程中，光纖易受外界環(huán)境因素影響，如溫度、壓力、電磁場等外界條件的變化，將引起光纖光波參數(shù)如光強、相位、頻率、偏振、波長等的變化。因此，人們發(fā)現(xiàn)如果能測出光波參數(shù)的變化，就可以知道導(dǎo)致光波參數(shù)變化的各種物理量的大小，于是產(chǎn)生了光纖傳感技術(shù)。光纖傳感技術(shù)是用光纖對某些物理量的敏感特性，將外界物理量轉(zhuǎn)換成可以直接測量的信號的技術(shù)。由于光纖不僅可以作為光波的傳播媒質(zhì)，而且由于光波在光纖中傳播時表征光波的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長等)因外界因素(如溫度、壓力、應(yīng)變、磁場、電場、位移、轉(zhuǎn)動等)的作用而直接或間接發(fā)生變化，從而也可將光纖用作傳感元件來探測各種物理量。

上圖是光纖傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖。光纖傳感器通常由光源、傳輸光纖、傳感元件或調(diào)制區(qū)、光檢測等部分組成。光強、波長、振幅、相位、偏振態(tài)和模式分布等參量在光纖傳輸中都可能會受外界影響而發(fā)生改變，特別如溫度、壓力、加速度、電壓、電流、位移、振動、轉(zhuǎn)動、彎曲、應(yīng)變以及化學(xué)量和生物化學(xué)量等對光路產(chǎn)生影響時，都會使這些參量發(fā)生相應(yīng)變化。光纖傳感器就是根據(jù)這些參量隨外界因素的變化關(guān)系來檢測各相應(yīng)物理量的大小。

光纖傳感器的特點

與傳統(tǒng)的傳感器不同，光纖優(yōu)良的物理、化學(xué)、機械以及傳輸性能，使光纖傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、抗電磁干擾、防腐蝕、靈敏度很高、測量帶寬很寬、檢測電子設(shè)備與傳感器可以間隔很遠等優(yōu)點，并可以構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)。

先進的光纖傳感器的靈敏度比傳統(tǒng)的傳感器高幾個數(shù)量級，可以測量的物理量已達70多種。總結(jié)起來它具有一下幾個優(yōu)點：

1、精度高，響應(yīng)速度快，線性特征范圍寬，使用的重復(fù)性好，檢測信號的信噪比高，由于現(xiàn)在光纖的量產(chǎn)化，價格低廉，可以廣泛使用。

2、光纖是由電介質(zhì)材料石英制成，傳輸?shù)氖枪庑盘枺虼税踩?、可靠性好，抗電磁干擾能力強，能適應(yīng)在電力、石油、化工、冶金等易燃易爆或有毒的環(huán)境條件下工作。

3、抗腐蝕，抗污染能力強，可用于溫差較大的地方，時間時間老化特性優(yōu)良，工作壽命長。

4、體積小，重量輕，容易安裝，對被測對象環(huán)境適應(yīng)能力強。

5、光纖是無源器件，自身獨立性好，不會破壞被測量的狀態(tài)。

6、測量對象廣泛。目前已有性能不同的多種測量溫度、壓力、位移、速度、液面、核輻射等各種物理量、化學(xué)量、生物量等的光纖傳感器。

7、便于多點復(fù)用、傳輸損耗小，適合于組成測量網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多點實時智能化的遙測。

光纖傳感器的分類及應(yīng)用原理

根據(jù)調(diào)制區(qū)與光纖的關(guān)系，可將調(diào)制分為三大類：

傳光型光纖傳感器

傳光型光纖傳感器也稱非功能型光纖傳感器或強度調(diào)制型光纖傳感器，光纖主要起傳輸光波的作用，傳光型光纖傳感器主要由光源、光纖、光調(diào)制器、敏感元件、光電探測器、檢測電路等組成。傳光型光纖傳感器的基本原理是待測物理量引起光纖中的傳輸光光強I變化,通過光強I的檢測實現(xiàn)對待測物理量的測量。

強度調(diào)制的特點是簡單、可靠、經(jīng)濟。強度調(diào)制的方式很多，主要有反射式強度調(diào)制(如圖1所示)和透射式強度調(diào)制(如圖2所示)

圖1反射式強度調(diào)制原理圖

圖2透射式強度調(diào)制原理圖

傳感型光纖傳感器

傳感型光纖傳感器也稱功能型光纖傳感器，光纖既傳光又傳感,即還充當(dāng)敏感元件。對于傳感型光纖傳感器而言,當(dāng)光在光纖中傳播時，被測物理量或外界因素作用在光纖上，使得光纖中傳輸光的振幅、相位、波長、偏振態(tài)等發(fā)生改變，此過程為光調(diào)制，調(diào)制后的光經(jīng)光纖傳輸?shù)焦怆娞綔y器解調(diào)后轉(zhuǎn)換成電信號輸出。

傳感型光纖傳感器的原理比傳光型光纖傳感器的復(fù)雜得多，它利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光強、相位、偏振態(tài)等光學(xué)特性的變化來實現(xiàn)“傳”和“感”的功能。此外，傳感器中光纖是連續(xù)的，由于光纖連續(xù)，增加其長度，可提高靈敏度。傳感型光纖傳感器應(yīng)用最多的是相位調(diào)制型光纖傳感器或者干涉型光纖傳感器，,即外界因素使光纖中傳輸光的相位變化，進而改變出射光(干涉光)的強度變化來達到測量目的。

常用的干涉型光纖傳感器有Michelson干涉式光纖傳感器、Mach-Zehnder干涉式光纖傳感器、Fabry-Perot(F-P)干涉式光纖傳感器、Sagnac干涉式光纖傳感器、Fizeau干涉式光纖傳感器等。干涉型光纖傳感器是高精度光纖傳感與測量技術(shù)的最佳選擇。

拾光型光纖傳感器

拾光型光纖傳感器該類傳感器用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。

光纖傳感器按被測對象，又可分為光纖溫度傳感器、光纖位移傳感器、光纖濃度傳感器、光纖電流傳感器、光纖流速傳感器等。

光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)不同又可分為光強調(diào)制光纖傳感器、相位調(diào)制光纖傳感器、偏振調(diào)制光纖傳感器和波長調(diào)制光纖傳感器。

振幅調(diào)制傳感型光纖傳感器

利用外界因素引起的光纖中光強的變化來探測物理量等各種參量的傳感器稱為振幅調(diào)制傳感型光纖傳感器。改變光纖中光強的方法有多種，而改變光纖的微彎狀態(tài)就是其中一種。光纖微彎傳感器就是利用光纖中的微彎損耗來探測外界物理量的變化。它是利用多模光纖在受到微彎時，一部分芯模能量會轉(zhuǎn)化為包層模能量這一原理，通過測量包層模能量或芯模能量的變化來測量位移或振動等。其原理圖如圖所示。

激光束經(jīng)擴束、聚焦輸入多模光纖。其中的非導(dǎo)引模由雜模濾除器去掉，然后在變形器作用下產(chǎn)生位移，光纖發(fā)生微彎的程度不同時，轉(zhuǎn)化為包層模式的能量也隨之改變。變形器由測微頭調(diào)整至某一恒定變形量；待測的交變位移由壓電陶瓷給出。實驗表明，該裝置靈敏度達0.6μV/A（它強烈依賴于多模光纖中的導(dǎo)引模式分布，高階模越多，越易轉(zhuǎn)化為包層模，靈敏度也就愈高），相當(dāng)于最小可測試位移為0.01nm，動態(tài)范圍可望超過100dB。

相位調(diào)制傳感型光纖傳感器

利用外界因素引起的光纖中光波相位的變化來探測物理量等各種參量的傳感器稱為相位調(diào)制傳感型光纖傳感器。該類傳感器主要應(yīng)用于制成干涉儀，而光纖Sagnac干涉儀就是其中典型的一種。

光纖Sagnac干涉儀的基本原理是在由同一光纖繞成的光纖圈中沿反方向前進的兩光波，在外界因素作用下產(chǎn)生不同的相移。然后，通過干涉效應(yīng)進行檢測。其最典型的應(yīng)用就是轉(zhuǎn)動傳感，及光纖陀螺。由于它沒有活動部件，沒有非線性效應(yīng)和低轉(zhuǎn)速時激光陀螺的閉鎖區(qū)，因而非常有希望制成高性能低成本的器件。

下圖是光纖Sagnac干涉儀的原理圖。用一長為L的光纖，繞成半徑為R的光纖圈。一激光束由分束鏡分成兩束，分別從光纖兩個端面輸入，再從另一端面輸出。兩輸出光疊加后將產(chǎn)生干涉效應(yīng)，此干涉光強由光電接收器檢測。

1為激光器；2為光探測器；3為光纖圈

偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器

1為激光器；2為起偏器；3為物鏡；4為傳輸光纖；5為傳感光纖；6為電流導(dǎo)線；

7為光探測器；8為偏振棱鏡；9為信號處理單元

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。光纖光柵傳感器是一種典型的波長調(diào)制型光纖傳感器。

光纖傳感器按被測對象，又可分為光纖溫度傳感器、光纖位移傳感器、光纖濃度傳感器、光纖電流傳感器、光纖流速傳感器等。

光纖傳感器技術(shù)熱點

當(dāng)前光纖傳感器的研究熱點集中于光纖光柵（FBG和LPG）型傳感器和分布式光纖傳感系統(tǒng)兩大板塊。

FBG型光纖傳感器自發(fā)明之日起，已走過了原理性研究和實驗論證階段。目前成熟的FBG制作工藝已可形成小批量生產(chǎn)能力，而研究的焦點也轉(zhuǎn)向解決高精度應(yīng)用，完善解調(diào)和復(fù)用技術(shù)，以及降低成本等幾個方向上。另一方面，由于光纖傳感器具有將傳輸與傳感媒質(zhì)合而為一的特性，使得沿布設(shè)路徑上的光纖可全部成為敏感元件，因此，分布式傳感成為光纖傳感器與生俱來的優(yōu)點。

光纖布拉格光柵

光纖布拉格光柵FBG于1978年問世，這種簡單的固有傳感元件，可利用硅光纖的紫外光敏性寫入光纖芯內(nèi)，下圖為光纖光柵的基本原理。

常見的FBG傳感器通過測量布拉格波長的漂移實現(xiàn)對被測量的檢測，當(dāng)寬譜光源入射到光纖中，光柵將反射其中以布拉格波長為中心波長的窄譜分量。光纖光柵除了具備光纖傳感器的全部優(yōu)點之外，還擁有自定標和易于在同一根光纖內(nèi)集成多個傳感器復(fù)用的特點。

光柵傳感器可拓展的應(yīng)用領(lǐng)域有許多，如將分布式光纖光柵傳感器嵌入材料中形成智能材料，可對大型構(gòu)件的載荷、應(yīng)力、溫度和振動等參數(shù)進行實時安全監(jiān)測；光柵也可以代替其它類型結(jié)構(gòu)的光纖傳感器，用于化學(xué)、壓力和加速度傳感中。

長周期光柵是指周期大于100mm的光柵，也是繼FBG之后光纖光柵型傳感器的另一個重要分支。由于測量利用包層膜耦合的原理，使其同時具備靈敏度優(yōu)良和制作簡便的優(yōu)勢。

光纖光柵的其它分支還包括啁啾光柵、斜光柵等。

分布式光纖傳感系統(tǒng)

在世界范圍內(nèi)，由于對工民建和工業(yè)設(shè)施安全性和效益要求的不斷提高，對集成的安全檢測系統(tǒng)的需求逐步攀升。具備可連續(xù)、無間斷、長距離測量并與被測量介質(zhì)有極強的親和性的分布式光纖傳感系統(tǒng)似乎正是為此而量身定做的。

分布式光纖傳感系統(tǒng)通常有三種類型：拉曼型、布里淵型和FBG型。

拉曼型分布式光纖傳感系統(tǒng)是基于光纖拉曼散射效應(yīng)的連續(xù)型傳感器，其工作原理見圖6。三種類型的傳感系統(tǒng)的應(yīng)用都已見諸于報道。其中尤以拉曼型分布式傳感系統(tǒng)最為成熟，已成功地裝載于A340運輸機上。

FBG型分布式傳感系統(tǒng)在應(yīng)力多點分布式測量中有獨到的優(yōu)點，并可同時完成溫度和應(yīng)力的雙參量測量，為FBG應(yīng)用開辟了更為廣闊的前景。

光纖傳感器應(yīng)用技術(shù)類型

光纖傳感器的應(yīng)用開發(fā)根據(jù)當(dāng)前的應(yīng)用熱點領(lǐng)域和技術(shù)類型可大致分為四個大的方向：光（纖）層析成像分析技術(shù)OCT、光纖智能材料（SMART MATERIAL）、光纖陀螺與慣導(dǎo)系統(tǒng)、以及常規(guī)工業(yè)工程傳感器。

光層析成像技術(shù)

光纖層析成像分析技術(shù)根據(jù)不同的原理和應(yīng)用場合，可將光纖層析技術(shù)分為光相干層析成像分析(OCT)和光過程層析成像分析技術(shù)(OPT)。

光層析成像技術(shù)源于X射線層析成像分析（CT）。當(dāng)X射線或光線傳輸經(jīng)過被測樣品時，不同的樣品材料對射線的吸收特性有不同，因此對經(jīng)過樣品的射線或光線進行測量、分析，并根據(jù)預(yù)定的拓撲結(jié)構(gòu)和設(shè)計進行解算就可以得到所需要的樣品參數(shù)。

光纖相干層析成像技術(shù)（OCT）主要應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域，如視網(wǎng)膜掃描、胃腸內(nèi)視和用于實現(xiàn)彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。其工作原理基于光的相干檢測原理，基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。

OCT為生物細胞和機體的活性檢測提供了一種有效的方式，世界上有許多國家都開發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品。圖11為視網(wǎng)膜的CT掃描圖像。德國的科學(xué)家近期推出了一臺可用作皮膚癌診斷的OCT設(shè)備。此外，利用OCT可以實現(xiàn)深度測量（~1mm）的優(yōu)勢，已有實例應(yīng)用于對生長中的細胞進行觀察和監(jiān)測中。

而OPT則面向工業(yè)工程－油井、管線等場所，高精度地解決流體的過程測量問題。由于OPT所關(guān)心的是光線路徑上的積分過程，因此相關(guān)的系統(tǒng)集成設(shè)計、測量理論分析中的單元分割與信號處理都是關(guān)鍵。由于OPT具有適用于狹小的或不規(guī)則的空間、安全性高、測量區(qū)域不受電磁干擾以及可組成測量網(wǎng)絡(luò)的多項長處，為工業(yè)過程的安全測量提供了一種優(yōu)良的手段。

智能材料

智能材料的提出和研究已有相當(dāng)長的一段時間，為業(yè)內(nèi)人士所熟悉。智能材料是指將敏感元件嵌入被測構(gòu)件機體和材料中，從而在構(gòu)件或材料常規(guī)工作的同時實現(xiàn)對其安全運轉(zhuǎn)、故障等的實時監(jiān)控。其中，光纖和電導(dǎo)線與多種材料的有效結(jié)合是關(guān)鍵問題之一，尤其是實現(xiàn)與紡織材料的自動化編織。

智能材料作為橋梁、大壩等混凝土大型建筑的監(jiān)測系統(tǒng)已在國外多處工程中通過安裝測試并付諸應(yīng)用。此外，智能材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用也日趨廣泛，尤其是采用光纖光柵和光纖分布式應(yīng)力、溫度測量系統(tǒng)進行惡劣環(huán)境條件－高溫、變形的多參量監(jiān)測取得了明顯的效果。

光纖陀螺及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

從1980到1990年的十年中，對系統(tǒng)誤差因子和光纖器件的研究取得了顯著的進展，新型的SLD光源、保偏光纖及耦合器的采用，以及特殊的繞制技術(shù)為陀螺的實用化鋪平了道路。上世紀90年代，中級的I-FOG由于采用了消偏結(jié)構(gòu)、3軸I-FOG、EDFA光源等新型光纖器件和技術(shù)，實現(xiàn)了成本降低、體積減小和性能提高目的，并率先在航天及軍事領(lǐng)域獲得應(yīng)用。例如，美國Honeywell公司為美國軍方制造的用于直升機的三軸慣導(dǎo)系統(tǒng)直徑僅為86mm。國際上有些高性能光纖陀螺的漂移指標已達到0.001°/hr，許多產(chǎn)品已經(jīng)投入民用飛機和汽車工業(yè)。未來光纖陀螺在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用還有更廣闊的天地。

工業(yè)工程類傳感器

傳統(tǒng)的工業(yè)工程類傳感器包括應(yīng)用光纖的電光和磁光效應(yīng)進行測量的電力工業(yè)用大電壓、電流傳感器。利用光纖的彈光效應(yīng)和FBG器件的應(yīng)力傳感器已被廣泛應(yīng)用于應(yīng)力監(jiān)測中。在許多特殊場合－核工業(yè)、化工和石油鉆探中都應(yīng)用了監(jiān)測傳感系統(tǒng)。光纖傳感器系統(tǒng)正日益走向成熟，并逐步融入日常的生產(chǎn)和生活之中。