光纤传感器技术简介

光纤传感器技术简介

摘要：光纤传感器技术经过二十多年的研发阶段，已经步入了实用阶段。光纤传感器特有的优点以及广泛的种类使其具备了替代传统传感器的能力。通过环境变量对光纤中传输光束强度、相位、偏振、光谱等光学特性的调制，使光纤传感器能够在远距离监控恶劣环境中系统的温度、应力、电流等不同的物理量。光纤在这个过程中同时起到了信号传感和传输的作用。光纤传感技术在工业，生物，工程，智能结构，人居生活等方面都有广阔的应用前景。本文旨在为读者介绍光纤传感器技术和它的一些应用领域。

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

An Introduction to Fiber Optic Sensor Technology

Liu Wj

Abstract: The technology of fiber optic sensor has entered the stage of practical application after the past decades’ development. Fiber optic sensors, with their unique advantages and a wide range of types, have the ability to displace traditional sensors. Fiber optic sensor technology offers the possibility of sensing different parameters like strain, temperature, pressure in harsh environment and remote locations. These kinds of sensors modulate some features of the light wave in an optical fiber such an intensity and phase or use optical fiber as a medium for transmitting the measurement information. This paper is an introduction to fiber optic sensor technology and some of the applications that make this branch of optic technology, which is still in its early infancy, an interesting field.

Key words: Fiber optic sensors; modulation based fiber optic sensors; distributed sensors; sensor applications

0引言

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、耐高温、多参量测量、抗电磁干扰能力强。同时光纤具有传光特性，无需其他介质就能把待测量值与光纤内光特性变化联系起来，集信息传感和传输与一体，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。

光纤传感技术发展大致可以分为三个主要阶段[1]：第一阶段，传输型光纤传感器。20

世纪70年代中后期，光纤作为一种信息交换的基础，通过光学器件把带测量和光纤内的导光联系起来。第二阶段，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

百种，光纤传感器开始投入实际使用。第三阶段，20世纪90年代中后期，光纤传感技术

逐步形成五个主要领域：智能结构，工业，生物医学，自然生态和人居环境。

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[2]。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。

1光纤传感器的分类

光纤传感器的应用范围和采用到的技术种类都非常多，而且随着技术革新，光纤传感器的应用面也在不断拓宽。一般来说，大家还是按照习惯依据光纤传感器的测量量或者采用的技术来进行分类。2002年在美国波特兰俄勒冈进行的第15届光纤传感器大会(OFS-15)上发表的给类文章按照这两种方式划分的结果显示在图1上[3]。可以看到光栅传感器在应力、温度、压力和声学、电压电流方面的应用比较多一些；而在技术上，采用光纤光栅的几乎占了一半，另一些比如干涉仪传感技术，散射等采用的也很多。本节将会对光纤的分类进行整体性的简介，在这过程中选择一具有代表性的例子进行详述。

图1[3]在OFS-15会议上发表的文章依据测量量（a）和技术（b）划分的分布图

Fig. 1[3]Distribution of OFS-15 papers according to measurands(a) and technologies(b).

光纤传感器可以分为本征和非本征（intrinsic and extrinsic）两大类。本征的光纤传感器指光纤本身作为传感元件，它本身的物理性质把环境变量转化为对通过它内部的光的调制。这些调制包括光强、偏振、相位、波长等。事实上所有环境变量都可以转化成光学量的调制，一种环境变量可以通过很多光纤技术来测量，设计光纤传感器的难处在于要使它只对需要测量的环境变量敏感。非本征光纤传感器中，光纤只是作为传输介质，连接传感元件（将信号转化成调制过的光信号）以及远处的接收器[4]。