光纤传感器的现状和应用

信号输出 电信号 光纤
信号处ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 被测量
光源 传感头 光电转换
图1 光纤传感器的结构图
如前所述可以看出光纤传感器的传感机理表面上与电磁类传感器有 着相似的思路，只不过电磁类传感器的电线或者测量空间的信息传播载 体是电磁波而光导纤维中的载体是光波，然而也正是由于光波不同于电 磁波的独特性质使其具有以下几个突出的优点：①利用不导电的玻璃纤 维制成，其信息传播载体是光子而不是电子，故无电磁干扰（EMI）和 射频干扰（RFI）的影响，可在各种电磁场复杂的环境中不受影响的工 作；②有较大的灵活性，可制成各种形状，并可用于各种危险、恶劣环 境和探测微细变化；③其光信号不仅能直接感知，而且可与高度发展的 电子装置相匹配，帮助其实现智能化、多功能化和远距离的实时监控。
静态或工作 测量特点
参数
动态、不接触式、质量指标
传感器特点
结构型传感器
物性型传感 器（直接变
换）
物性型传 感器、智 能型传感 器（带微 处理器）
1、结构型传感器 以其结构部分变化或结构部分变化后而引起某 种场的变化来反映被测量的大小及变化。
2、物性型传感器 利用构成传感器的某些材料本身的物理特性在 被测量的作用下发生变化,从而将被测量转换为电信号或其他信号输 出。
3、智能型传感器 把传感器与微处理器有机地结合成一个高度集 成化的新型传感器。它与结构型、物性型传感器相比,能瞬时获取大量 信息,对所获得的信息还具有信号处理的功能,使信息的质量大大提高, 其功能也扩展了。以网络化智能传感器为例,它以嵌入式微处理器为核 心,集成了传感单元、信号处理单元和网络接口单元,使传感器由单一功 能、单一检测向多功能和多点检测发展;从被动检测向主动进行信息处 理方向发展;从孤立元件向系统化、网络化发展;从就地测量向远距离实 时在线测控发展,已成为传感器技术发展的主要方向之一。
（作者单位：厦门大学电子工程系）
光纤传感器（FOS）的应用
光纤传感器的应用范围很广，尤其适用于恶劣环境，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。 我们从以下几个侧面来看FOS的强抗干扰性的特点在各个领域中的
应用： 1、我国使用高温传感器每年要消耗几十亿元。传统使用铅佬丝热
电偶来测量高温，寿命短，成本高，而且在工业生产中需要停产来更换 热电偶，严重影响了生产。20世纪80年代，美国提出使用的蓝宝石光纤 来制备高温传感器，具有测温范围广、精度高及响应速度快等优点，然 而由于其价格昂贵，只能应用于特殊场合。因此，目前这阶段研究和开 发测量精度高、性能稳定、成本低的光纤高温传感器具有极大的市场需 求。在蓝宝石光纤的一端涂覆高发射率的感温介质薄层并经高温烧结形 成一微型的光纤感温腔(热传感头)（图略）。
光纤传感器的背景
1977年，美国海军研究所（NRL）开始执行由查尔斯·Ｍ·戴维斯
（Charles M Davis）博士主持的Foss（光纤传感器系统）计划，这被
认为是光纤传感器问世的日子。而早期的光纤传感器因为存在着诸如价
格昂贵、技术不够成熟等问题，使得它在工程实际应用上较少，一般只
在实验室中作一些研究之类的尝试。然而与传统传感器相比，光纤传感
等
振动、位移 等机械运转 状态；设备 异常状态如 过热、泄 漏、绝缘 等；产品在 线检测如表 面质量、形
状等；
五官感觉 —指人的 五官感觉
测量技术
模拟测量法 数字测量法
模拟、数字 混合测量法
测量技术 与信息处 理技术相
结合
多层扫
复参数扫描 测量方法 单参数测量
测量
图形测量 （二维）
描、数据 处理、物 体识别 （三维）
光纤传感器的现状和 应用
戎华北
前言
传感技术的发展经历了三个阶段,即结构型传感器、物性型传感器 和智能型传感器，其测量技术、方法和特点的发展历程见表1。
表1 传感器的发展阶段
40～50年代 60年代
70年代
80年代～ 至今
测量变量
温度、压 力、流量、 物位、电 压、电流、
功率
重力、位 移、尺寸、 速度、加速 度、湿度、 气候、离子
2、在电力系统，需要测定温度、电流等参数,由于传统的电磁类传 感器易受强电磁场的干扰，无法在这些场合中使用，故现阶段最好的办 法还是用光纤传感器来进行监测。另外目前防雷抗干扰已经成为我国大 坝、大桥安全监测自动化中最为棘手的问题，而光纤传感器集信息传输 和传感于一体，易与网络连接，进行长期的实时的观测，再加上其耐高 温、抗腐蚀等特征，使得FOS在这方面有着很大的应用前景。
器有着一系列独特的优点：它可以在强电磁干扰、高温高压、原子辐
射、易爆、化学腐蚀等恶劣条件下使用，高灵敏度及低损耗的优点使其
用途广泛。正是由于光纤传感器的这些特点及价值，科学家们开始对其
进行大量的研究与改进，并取得了一系列重大的成果。1978年，加拿大
渥太华通信研究中心（Canadian
Communications
结束语
综上所述，光纤传感器（FOS）作为一种在各领域中都具有明显的传 感测量优势的新型传感器，不仅在高新尖端领域中得到应用，而且也在 传统工业领域中被迅速推广，FOS以其本身不同的结构、不同的原理、 不同的测量变量、不同的检测机理来满足不同的被测对象。尽管FOS有 着这样那样的优势所在，并且已有一些FOS成功地实现商业化，然而由 于其刚起步，很多技术仍不成熟和完善，离大规模商业化还有不小的距 离，仍面临与传统成熟技术传感器的激烈竞争。因此只有不断地深入研 究和发展，FOS才会得到更广泛的应用，实现更成功的商业化。
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、一氧化碳等气体的场所，采用电磁类传感器不但达不到要求的精 度，而且易引起安全事故。因此,研究和开发高性能的光纤气敏传感 器，可以安全有效地实现上述检测。
4、在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面，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。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，临床检验、食品安全检测手段比较落后，光纤传感器在这些领域具 有极好的市场前景。
光纤传感器有三种分类方法： 1、按光纤与光的作用机理分，可分为本征型和非本征型，前者是 利用光纤直接与环境中的光相互作用来调制光信号，适用于测量转速、 加速度、声源、压力和振动等；后者则是将光纤作为传送和接收光的通 道，然后在光纤外部调制光信号，适用于测量纯属和角度位置、温度、 液位及过程控制中的流量等。 2、按光纤内传输的模式数量分，可分为单模器件和多模器件。前 者的纤芯很细，能大大降低信号的失真和损失程度；后者能传输更多的 光，但由于具有多个通道，并对入射光的散射点数和存在模式色散，所 以损失的信号较多，信号的失真也较严重。 3、按信号在光纤中被调制的不同方式分，还可将光纤传感器分为 强度调制、相伴调制、偏振态调制、频率调制和波长调制等多种不同类 型。
Research
Centre(CRC),Ottawa, Ont, Canada）Hill K.O.成功地在光导纤维上
写上周期性的光栅，从而产生了第一根光纤光栅；1988年，Meltz G.发
明了光纤光栅紫外光（Ultraviolet Light）侧写入技术，开创了光纤
光栅实用化的新纪元，使得光纤传感器开始走向实用化、商业化；到了
20世纪90年代，更多的光纤传感器（FOS）在不断的商业化，一般比较
常见的有压力应力传感器、液体流量传感器、温度湿度传感器、电流电
压传感器、化学传感器等等。
光纤传感器（FOS）应用原理
光纤传感器一般由光源、光导纤维、光传感器元件、光调制机构和 信号处理器等部分组成。其工作原理是：光源发出的光经光导纤维进入 光传感元件，而在光传感元件中受到周围环境场的影响而发生变化的光 再进入光调制机构，由其将传感元件测量检测的参数调制成幅度、相 伴、偏振等信息，这一过程也称为光电转换过程，最后利用微处理器如 频谱仪等等进行信号处理。其结构如下图1所示：