光纖傳感器的應用與發展

摘要:主要闡述了光纖傳感器的結構、原理、分類、特點、現狀及發展趨勢，并介紹了光纖傳感器的幾種應用。

關鍵詞:光纖傳感器 發展趨勢 應用舉例

0 引言

光纖傳感技術的出現與光導纖維和光纖通信技術的發展是分不開的，是一種嶄新的傳感技術。光纖傳感器是以光纖為材料的傳感器。光纖是光導纖維的簡稱，其一般結構如圖0.1所示。從里到外分別是纖芯、包層、涂覆保護層和護套。光纖的主體是纖芯和包層，涂覆保護層和護套起到隔離雜光和提高光纖強度的作用。本文闡述了光纖傳感器的原理、特點、現狀及發展趨勢，并介紹了光纖傳感器的幾種應用。

1 光纖傳感基本原理及分類

光纖傳感技術是20世紀70年代中期伴隨著光導纖維及光纖通信技術的發展而迅速發展起來的一種以光為載體，光纖為媒質，感知和傳輸外界待測信號的新型傳感技術。

光纖傳感器是利用光在光纖中傳播特性的變化來檢測、量度它所受到的環境變化。通過被測物理量的變化來調制波導中的光波，使光纖中的光波參量隨被測物理量的變化而改變，從而求得被測信號的大小。

根據調制區與光纖的關系，可將調制分為兩大類。一類為功能型調制，調制區位于光纖內，外界信號通過直接改變光纖的某些傳輸特征參量對光波實施調制。這類光纖傳感器稱為功能型或本征型光纖傳感器，也稱內調制型傳感器，光纖同具“傳”和“感”兩種功能。同光源耦合的發射光纖與同光探測器耦合的接收光纖為一根連續光纖，稱為傳感光纖，故功能型光纖傳感器亦稱為全光纖型或傳感型光纖傳感器。另一類為非功能型調制，調制區在光纖之外，外界信號通過外加調制裝置對進入光纖中的光波實施調制，這類光纖傳感器稱為非功能型或非本征型光纖傳感器，發射光纖與接收光纖僅起傳輸光波的作用，稱為傳光光纖，不具有連續性，故非功能型光纖傳感器也稱為傳光型光纖傳感器或外調制型光纖傳感器。

光纖傳感器按被調制的光波參數不同又可分為強度調制光纖傳感器、相位調制光纖傳感器、頻率調制光纖傳感器、偏振調制光纖傳感器和波長(顏色)調制光纖傳感器。

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。

光纖傳感器所用光纖有單模光纖和多模光纖。單模光纖的芯徑通常為5～10μm，很細的纖芯半徑接近于光源波長的長度，僅能維持一種模式的傳輸，一般相位調制型和偏振調制型的光纖傳感器采用單模光纖;光強度調制型或傳光型光纖傳感器多采用多模光纖。為了獲得適宜的靈敏度，可將普通光纖“增敏”或者“去敏”，為了滿足特殊需求還專門研制了保偏光纖、低雙折射光纖、高雙折射光纖等。

2 光纖傳感器的特點

與傳統的傳感器不同，由于光纖優良的物理、化學、機械以及傳輸性能，使光纖傳感器具有一系列獨特的優點。

2.1 精度高，響應速度快，線性特征范圍寬，使用的重復性好，檢測信號的信噪比高，由于現在光纖的量產化，價格低廉，可以廣泛使用。

2.2 光纖是由電介質材料石英制成，傳輸的是光信號，因此安全性、可靠性好，抗電磁干擾能力強，能適應在電力、石油、化工、冶金等易燃易爆或有毒的環境條件下工作。

2.3 抗腐蝕，抗污染能力強，可用于溫差較大的地方，時間老化特性優良，工作壽命長。

2.4 體積小，重量輕，容易安裝，對被測對象環境適應能力強。

2.5 光纖是無源器件，自身獨立性好，不會破壞被測量的狀態。

2.6 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、化學量、生物量等的光纖傳感器。

2.7 便于多點復用、傳輸損耗小，適合于組成測量網絡，實現多點實時智能化的遙測。

3 光纖傳感器的現狀和發展趨勢

近年來，光纖傳感器作為一種新興的應用技術，在許多領域顯示出強大的生命力。融合光學、物理學、化學、生物醫學、精密機械、微電子和計算機等學科為一體的光纖傳感技術，經過30多年的研究開發，已為眾多的被測物理量找到了相應的傳感方法和設計原理。目前，光纖傳感器可以對位移、壓力、溫度、速度、振動、液位、角度等70種物理量進行測量。一些工業發達國家，如美國、英國、德國和日本等國，均投入相當多的人力、物力先后制定發展規劃，其研究重點在以下六個方面:

①光纖傳感器系統;②現代數字光纖控制系統;③光纖陀螺;④核輻射監控;⑤飛機發動機監控;⑥民用計劃。

我國光纖傳感器的研究工作主要自1983年開始。近10年來，一些大學、科研院所、公司等都紛紛在這方面投入了大量的人力、物力使得光纖傳感技術得到飛速的發展。雖說國內對高精度的光纖傳感器有不少報導，但真正形成大規模應用和生產的卻少之又少，沒有能夠大規模的走出實驗室，面向工業界。近日，國家最大的光纖傳感器研究基地在武漢理工大學成立，這標志著我國正努力讓實驗室里的光纖傳感器逐步走出實驗室，走向人們的實際生活和工業測量當中。

經過多年的開發和實際使用，光纖傳感器所反映出的主要問題是長時間的飄移，就其根源為來自光纖傳輸線的衰減，耦合器特性的不穩定，光源輸出光功率不穩定以及探測器的噪聲等。目前光纖傳感器研究趨勢:

①改進光纖傳感頭的調制形式，采用參考光路注入參考信號可以消除由于光學結構的飄移特性帶來的測量影響。②從單只傳感器向傳感器陣列的研究，外加微機控制以實現陣列的遙測遙控。③加強基礎元器件的研究，以提高可靠性和穩定性。④光纖傳感器的國際標準化，現已提上議事日程。⑤開發光纖傳感器的靈巧結構，內含光纖傳感器系統的復合材料已成為光纖靈巧構件的研究熱點。

4 光纖傳感應用舉例

光纖傳感技術優于其他傳感技術的原因在于它是在光纖通信的基礎上發展的，光纖通信擁有一個廣闊的市場，能提供一系列低價格的器件，更重要的是，它形成一門能為光纖傳感器所使用的基礎科學。

光纖傳感技術由于相對于傳統傳感技術有著多方面的優勢，從而在各個領域得到了普遍的應用。下面就列出幾個它的主要應用領域，并加以簡單說明。

4.1 過程控制用的物理傳感器和化學傳感器

許多工廠的電磁環境和周圍空氣中含有的物質，如重金屬、化學物、燃化油蒸汽等，都不利于常規電傳感器和儀器的操作。因此，對高可靠性和安全性的非導電傳感器的需求很強烈。由于獨特的電絕緣性，賦予光纖傳感器的抗電磁干擾能力，還有其在易燃易爆場合的本證安全性，以及快速響應和對腐蝕液體的抗拒性，使得光纖傳感器得到了很好的發展。

在工礦企業中，光纖傳感器主要用于檢測溫度、位移、壓力、液位、加速度和流量等參數，也可用于爆炸性和可燃性油氣泄漏等場合。

在過程控制中使用的，目前絕大部分是外在式(非本證)的光纖傳感器。典型的應用有:開—關型傳感器，溫度傳感器，機械傳感器(檢測壓力、位移、加速度、流量等)，化學傳感器(檢測液位、油液泄漏、氣體等)。

4.2 化學、生物化學和醫用傳感器

在這個測量應用領域中，使用的基本換能手段大部分都可以歸結在常規的化學測量傳感器的范疇內。

由光激發的原子或分子的各種可能態之間的躍遷具有相當明確的特征，可以給出與該分子與周圍介質耦合關系有關的豐富信息，因此，與化學結構相關的信息，可以通過對光吸收系數、熒光和拉曼光譜或斯托克斯頻移光的測量來獲取。化學反應的測定，通常可借助比色試劑或指示劑觀察某一反應產物，從而對直接參與反應的各類物質進行光測量來完成。

由于光纖的應用，使得遠程測量成為可能。首先低損耗的光纖使得光在光纖內傳播幾公里遠而不需要任何中繼放大。這樣，光源和分析儀器可以放置在與樣品保持相當距離的清潔環境中，無需前往現場取樣即可獲得檢測信號;其次，光纖探頭相當小，可以安置在其他類型的探頭難以到達的測定點處，同時細小的探頭也使試劑、原料的消耗更少。

目前，這類傳感器的主要應用有:氣體分析儀，折射率和液位傳感器，濁度(或散射)的測量，PH值傳感器，血氧測定計，CO2傳感器，葡萄糖分傳感器，醫用物理傳感器等。

4.3 光纖傳感器在航空和航海中的應用

航空工業是光纖傳感器最有潛力的用戶之一，這主要是因為光纖傳感器具有重量輕，以及相應的傳導線具有抗輻射特性的優點。光纖通訊在飛機上的應用就充分表明了這一點。由于相鄰光纖之間絕對無串話干擾，所以整個布線就非常簡單。但是，由于航空業在接受新型儀器系統方面向來很保守，所以光纖傳感器的廣泛應用還需要相當長的時間。不過，環形激光陀螺儀作為導航儀的使用，已表明了光學儀器在航空工業應用的開端。

光纖在航海工業的應用潛力主要在軍事方面，而大多為海底應用，但光纖在航海安全方面的應用也在增加，其中最大的應用潛力大概是在烴的勘探和運輸方面，比如，有的勘探平臺已安裝了可燃氣體傳感器，使用相當成功。

在航空和航海這兩個領域，光纖傳感器的主要應用有:

航空方面:光纖慣性傳感器(光纖陀螺儀)[5]，監測控制表面位置的位移傳感器，用于碳素纖維復合材料制作性能監測的植入式光纖傳感器，燃燒式渦輪發動機的先進檢測;

航海方面:水聽器(尤其是后托式多元陣列)，地磁儀。

5 結語

隨著光纖通信技術的迅速發展，特別是光纖與光電器件的理論、工藝水平和性能的不斷提高和完善，使光纖技術進入了非通信領域。光纖傳感技術自20世紀80年代以來，受到世界各國的極大重視。十幾年來，光纖傳感器一直被設想為主導傳感技術，但至今尚未實現。雖然對各種各樣的光纖傳感機理進行了大量的研究和開發，但實用化的例子還是有限的。在現代信息社會中，隨著相關科學技術的進步和完善，光纖傳感技術及其應用將有著越來越重要的地位。“中國2010年遠景規劃”已將傳感器列為重點發展的產業之一，隨著我國加入世界貿易組織，傳感器的市場需求和發展空間的潛力是非常巨大的。

參考文獻:

[1]B.Culshaw，J.Dakin，光纖傳感器(李少慧，寧雅農等譯).武漢:華中理工大學出版社.1997.606～7763.

[2]馮流螢，劉培英.光纖液位傳感器.電子器件.1994.(4):30-33.

[3]李素珍.光纖傳感器的研究和應用展望[J].紅外與激光技術.1994.6:18～20.

[4]趙仲剛等.光纖通信與光纖傳感[M].上海科學技術文獻出版社.2001:382～398.

[5]王慧文.光纖傳感技術與應用[M]，北京:國防工業出版社.2001.89～134.