说说光纤传感器的具体情况

一、光纤传感器简介
光纤*早的出现的目的是用于传输光，在20世纪70年代初生产出低损耗光纤后，光纤用于长距离传递信息，是光纤通信的基石，也可以豪不夸张的说光纤也是现代信息社会的基石。由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且光波在光纤中传播的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)会因外界因素(如温度、压力、应变、振动、声音、磁场、折射率、扭曲、等)的作用而间接或直接地发生变化，分析这些变化就可以得到外界作用的某些性质，从而可将光纤用作传感器元件来探测各种物理量、化学量和生物量，这就是光纤传感器的基本原理。

光纤传感器的基本结构由光源、传输光纤和光检测部分组成。考虑到光纤传输已经很简单，通常一套完整的光纤传感器主要由传感器和解调仪构成。光源发出的光耦合进光纤，经光纤进入调制区；在调制区内外界被测参数作用于进入调制区内的光信号，使其光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号光：再经过光纤送入光检测器，光检测器对进来的光信号进行光电转换，输出电信号；*后对电信号进行信号处理而得到可用信号，从而获得被测参数。

传感技术是当今世界发展*为迅速的高新技术之一。新型传感器不仅追求高精度、大量程、高可靠、低功耗和微型化，并且向着集成化、多功能、智能化和网络化的方向发展，以满足工业、农业、国防和科研等各个领域的需求。光纤传感技术是20世纪70年代随着光纤技术和光通信技术的发展而迅速发展起来的。它代表了新一代传感技术的发展趋势。光纤传感器的产业已被国内外公认为*具有发展前途的高新技术产业之一，它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。



二、光纤传感器国内外发展现状
自从1966年华裔科学家高锟首先提出了用玻璃纤维传输光信息，奠定了光纤通讯和光纤传感技术的理论基础，1970年美国康宁公司的D．B．Keck,A．R．Yynes等人率先制造了低损耗(20dB/Km)石英光纤，光纤制造工艺已经得到了长足的发展，并在光通讯等领域逐渐得到了广泛应用。同时人们逐渐意识到利用光纤的许多特性可以进行物理量的测量：70年代中期光纤传感器一经出现，就受到各国有关研究部门的高度重视。

(1)国内光纤传感器发展现状
我国在70年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相差不远。目前已有上百个单位在这一领域开展工作，其中的大学包括清华大学、北京航天航空大学，哈尔滨工程大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、大连理工大学、北京交通大学、华中科技大学、北京理工大学、南开大学、天津大学、武汉理工大学、重庆大学、电子科技大学、上海大学、上海交通大学、复旦大学、浙江大学、南京大学、南京航空航天大学、暨南大学、深圳大学、国防科技大学、中国计量大学等，研究所包括：电子工业部下的38所，航天11所、中科院半导体所、上海微系统所、航空304所等。目前从事光纤传感器产业化的公司估计有上一百家了。他们在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移计等领域进行了大量的研究，取得了上百项科研成果，其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值，有的达到世界先进水平。每年发表的论文、申请的**也不少。但与发达国家相比，我国的差距主要表现在产品的可靠性、稳定性方面，大多数品种仍处于实验室研制阶段，不能投入批量生产和工程化应用。

(2)国外光纤传感器发展现状
由于光纤传感器应用的广泛性及其广阔的市场，其研究和开发在世界范围内引起了高度的重视，各发达国家更是竞相研究开发并引起激烈的竞争。美国是研究光纤传感器起步*早、水平*高的国家，在**和民用领域的应用方面，其进展都十分迅速。在**应用方面，他们研究和开发主要包括：水下探测的光纤传感器，用于航空监测的光纤传感器，光纤陀螺，用于核辐射检测的光纤传感器等。这些研究都分别由美国空军、**、陆军和国家宇航局(NASA)的有关部门负责，并得到许多大公司的资助。

美国也是*早将光纤传感器用于民用领域的国家。如运用光纤传感器监测电力系统的电流、电压、温度等重要参数，监测桥梁和重要建筑物的应力变化，检测肉类和食品的**和病毒等。美国的很多大学、研究单位和公司都开展了光纤传感器的研究和开发，如斯坦福大学、弗吉尼亚理工大学、Babock&Wilcox公司、Accufiber公司、Fidberdy-Elamies公司、EOTcc公司、Optical技术公司等。据统计，1993年以后，美国光纤传感器的销售总额每年以30-40％的增长速度发展，到2000年达到100亿美元。近期的调查结果表明，美国光纤传感器的研究开发重点已经向民用领域转移，民用光纤传感器的产量已**超过**传感器。

日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光纤传感器的研究与开发。日本在80年代便制定了“光控系统应用计划”，该计划旨在将光纤传感器用于大型工厂，以解决强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中的信息测量、传输和生产过程的控制。90年代，由东芝、日本电气等15家公司和研究机构，研究开发出12种具有**水平的民用光纤传感器，其中*有代表性的是波长扫描型光纤温度传感器。它是光纤传感器网络系统，可把分散在工厂各场所的信息进行时序化处理，并以全光方式收集。这种网络装置可连接1000个以上的传感器。由于该网络系统不使用电气器件，**防爆，特别适合于炼油厂、化工厂的各种过程控制系统。该系统实际上是集光纤材料、光纤传感器件、计算机网络等高新技术于一体，其产品在国际市场上具有广阔发展前景。西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光纤传感器的研究与开发和市场竞争，其中包括英国的标准电讯公司、法国的汤姆逊公司和德国的西门子公司等。

三、光纤传感器的分类
光纤传感器按其工作原理可以分为两类：一类是非功能型(或称传光型)光纤传感器，另一类是功能型(或称传感型)光纤传感器。非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为传播光的介质，传输来自远处或者难以接近场所的光信号。功能型传感型光纤传感器则是利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作为传感元件，自身实现传感功能的传感器。这类传感器中，光纤不仅起传递光的作用，而且还利用光纤在外界因素的作用下，其光学特性的变化来实现传感的功能。根据被调制的光波参数不同，这两类光纤传感器都可再分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振态调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。

（1）偏振态调制型光纤传感器
基本原理是利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息。光波是一种横波，它的光矢量是与传播方向垂直的。如果光波的光矢量方向始终不变，只是它的大小随相位改变，这样的光称为是线偏振光。光矢量与光的传播方向组成的平面为线偏振光的振动面。如果光矢量的大小保持不变，而它的方向绕传播方向均匀的转动，光矢量末端的轨迹是一个圆，这样的光称为圆偏振光。如果光矢量的大小和方向都在有规律的变化，且光矢量的末端沿一个椭圆转动，这样的光称为椭圆偏振光。利用光波的偏振性质，可以制成偏振调制光纤传感器。在许多光纤系统中，尤其是包含单模光纤的那些系统，偏振起着重要的作用。许多物理效应都会影响或改变光的偏振状态，有些效应可引起双折射现象。所谓双折射现象就是对于光学性质随方向而异的一些晶体，一束入射光常分解为两束折射光的现象。光通过双折射媒质的相位延迟是输入光偏振状态的函数。偏振态调制光纤传感器检测灵敏度高，可避免光源强度变化的影响，而且相对相位调制光纤传感器结构简单、且调整方便。其主要应用领域为：利用法拉第效应的电流、磁场传感器；利用泡尔效应的电场、电压传感器；利用光弹效应的压力、振动或声传感器；利用双折射性的温度、压力、振动传感器。目前*主要的还是用于监测强电流。

（2）波长调制型光纤传感器
传统的波长调制型光纤传感器是利用传感探头的光谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。此类传感器多为非功能型传感器。在波长调制的光纤探头中，光纤只是简单的作为导光用，即把入射光送往测量区，而将返回的调制光送往分析器。光纤波长探测技术的关键是光源和频谱分析器的良好性能，这对于传感系统的稳定性和分辨率起着决定性的影响。光光纤波长调制技术主要应用于医学、化学等领域。例如，对人体血气的分析、PH值检测、指示剂溶液浓度的化学分析、磷光和荧光现象分析、黑体辐射分析和法布里一珀罗滤光器等。

（3）频率调制型光纤传感器
基本原理是利用运动物体反射或散射光的多普勒频移效应来检测其运动速度，即光频率与光接收器和光源间运动状态有关。当它们相对静止时，接收到光的振荡频率；当它们之间有相对运动时，接收到的光频率与其振荡频率发生频移，频移大小与相对运动速度大小和方向有关。因此，这种传感器多用于测量物体运动速度。频率调制还有一些其他方法，如某些材料的吸收和荧光现象随外界参量也发生频率变化，以及量子相互作用产生的布里渊和拉曼散射也是一种频率调制现象。其主要应用是测量流体流动，其它还有利用物质受强光照射时的拉曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；利用光致发光的温度传感器等。

（4）强度调制型光纤传感器
基本原理是待测物理量引起光纤中传输光光强的变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量。一恒定光源发出的一定强度的激光注入传感头，在传感头内，光在被测信号的作用下其强度发生了变化，即受到了外场的调制，使得输出光强的包络线与被测信号的形状一样，光电探测器测出的输出电流也作同样的调制，信号处理电路再检测出调制信号，就得到了被测信号。这类传感器的优点是结构简单、成本低、容易实现，因此开发应用的比较早，现在已经成功的应用在位移、压力、表面粗糙度、加速度、间隙、力、液位、振动、辐射等的测量。强度调制的方式很多，大致可分为反射式强度调制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸收系数强度调制等等。一般反射式强度调制、透射式强度调制、折射率强度调制称为外调制式，光模式称为内调制式。但是由于原理的限制，它易受光源波动和连接器损耗变化等的影响，因此这种传感器只能用于干扰源较小的场合。

（5）相位调制型光纤传感器
基本原理是：在被测能量场的作用下，光纤内的光波的相位发生变化，再用干涉测量技术将相位的变化转换成光强的变化，从而检测到待测的物理量。相位调制型光纤传感器的优点是具有极高的灵敏度，动态测量范围大，同时响应速度也快，其缺点是对光源要求比较高同时对检测系统的精密度要求也比较高，因此成本相应较高。目前主要的应用领域为：利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器；利用赛格纳克效应的旋转角速度传感器(光纤陀螺)等。

而目前所称的波长调制型光纤传感器主要是指光纤布拉格光栅传感器（FBG）。可以毫不夸张的说，正是有了光纤光栅传感器，光纤传感器才真正开始从实验室邹向大规模的工程应用。

                              图2  光纤光栅传感器

四、光纤传感器的优点
无论采用何种调制方法，光纤传感器与传统传感器相比有一系列独特的优点：

(1)传输损耗小，传输容量大：可实现远距离遥控监测和多点分布式测量。

(2)测量范围广；可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、电压、

(3)传感器端无需供电，是无源器件，将传输与传感集合到一体。

(4)传感器能够复用，甚至实现分布式测量，一台测量仪器可以实现大规模的传感器测量。

(5)抗电磁干扰：一般电磁辐射的频率比光波低许多，所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响。

(6)电绝缘性能好，**可靠：光纤本身是由电介质构成的，适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。

(7)测量精度可以很高。有些光纤传感器（如干涉型）可以达到非常高的测量精度和分辨率。

(8)体积小、重量轻，几何形状可塑。

(9)耐腐蚀，化学性能稳定：由于制作光纤的材料——石英具有极高的化学稳定性，因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。

液位、液体浓度成分等，可以说光纤传感器能测量几乎所有物理量和很多化学量。

五、光纤传感器的实用化进程

目前，世界上光纤传感器领域的发展分为两大方向，原理性研究与应用开发。随着光纤技术的日趋成熟，对传感器的实用化开发成为整个领域发展的热点和关键。光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以**有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。其应用主要表现在以下几个方面：

1)在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等，由于电类传感器易受强电磁场的干扰，无法在这些场合中使用，只能用光纤传感器。

(2)在医学及生物方面应用传感器。医学临床应用光纤辐射剂量计、呼吸系统气流传感系统：圆锥形微型FOS测量氧气浓度及其他生物参数；用FOS探测氢氧化物及其他化学污染物；生物适应FOS系统应用于海水监测、生化技术、医药。

(3)在石油化工系统、矿井、大型电厂等，需要检测氧气、碳氢化合物、CO等气体，采用电类传感器不但达不到要求的精度，更严重的是会引起**事故。因此，研究和开发高性能的光纤气敏传感器，可以**有效地实现上述检测。

(4)在城市建设中的桥梁、高速公路以及大坝水库等民用基础设施的状态检测中，光纤检测技术得到应用，同时光纤检测技术在航空航天领域的应用也越来越广泛。在混凝土中埋入光纤传感器进行结构**监测：在飞机场用干涉型光纤震动传感器系统监测交通。

(5)在环境监测、食品**检测等方面，由于其环境复杂，影响因素多，使用其它传感器达不到所需要的精度，并且易受外界因素的干扰，采用光纤传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精度，可实现对上述各领域的生物量的快速、方便、准确地检测。目前，我国水源的污染情况严重，食品**检测手段比较落后，光纤传感器在这些领域具有极好的市场前景。

随着光纤传感技术的进一步发展，其应用领域将更加广泛。