光纖傳感器及其應用

彭利標，田 野，李冰玉，王奉良

（天津理工大學 中環信息學院，天津 300380）

自光纖技術在電信行業應用取得重大突破之后，該技術又展示了在工業和環境檢測等領域的應用前景。自20世紀70年代末光纖傳感器誕生以來，因其具有耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾等獨特的優點而被廣泛應用于各行各業。光纖傳感器幾乎對任何物理或化學現象都具有敏感作用，所以它可用來完成在易燃易爆、高溫高壓、化學腐蝕、原子輻射、狹小空間等惡劣環境中的測量任務。光纖傳感器還具有質量輕、體積小、絕緣、可繞曲性好等特點，幾何形狀具有多方面的適應性，且具有與光纖遙測技術的內在相容性，可以制成任意形狀的光纖傳感器，測量對象廣泛、復用性好、成本低等特點。隨著信息技術的不斷發展，光纖傳感器取代傳統的機電式傳感器已是大勢所趨[1]。

1 光纖傳感器結構組成及工作原理

光纖傳感器由光源、入射光纖、出射光纖、敏感元件、光調制器、光探測器、信號處理等部分組成，如圖1所示。將來自光源的光波經入射光纖送入被測對象區域（調制區）時，使待測參數與進入調制區的光相互作用，導致光波的特征參量（強度、波長、頻率、相位、偏振態、干涉效應等）會由于被測參量（溫度、壓力、應變、電磁場等）對光纖的作用而發生變化，使光波成為被調制的信號光，經輸出光纖送入光探測器，通過解調而獲得被測參數，經信號處理電路顯示檢測結果[2]。

圖1 光纖傳感器的基本原理圖Fig.1 Basic schematic diagram of an optical fibar sensor

光纖傳感器種類很多，目前已有40多種測量對象的幾百種光纖傳感器，按其傳感原理總體可分為兩大類：一類是利用光纖本身的某種敏感特性制成的傳感型光纖傳感器，如圖2（a）所示，它的光纖對被測信號兼有敏感和傳輸的雙重作用；另一類稱為傳光型光纖傳感器，它的光纖僅起傳輸光信號的作用，而對被測參量的感知是利用其他光敏感元件來完成，通常是在光纖端面或中間位置加裝敏感元件來感受被測量的變化，其結構如圖 2（b）所示[3-4]。

圖2 光纖傳感器結構圖Fig.2 Fiber optic sensor structure

按光波在光纖中被調制原理可分為：光強度調制型、相位調制型、偏振態調制型和波長調制型等幾種形式，強度調制型光纖傳感器主要有反射式強度調制和透射式強度調制，基于光纖布喇格（FBG）光柵透射或反射傳感器系統示意圖如圖3所示。當從光源發出的入射光施加到光纖布喇格光柵時，從光柵反射的光波長λB=2neff∧G，其中neff是光纖對傳輸光的有效折射率，∧G是光柵的折射率調制周期。當光纖外部施加機械應力或熱擾動時，光纖的折射率做周期性變化，從光柵反射的光譜取決于折射率調制的間距∧G和折射率，應變力場直接影響光纖光柵的響應，通過∧G擴展和壓縮，以及通過應變電光效應，玻璃中折射率的變化將引起應變誘導變化。FBG對溫度的敏感性主要是由于熱光效應，即纖維的熱膨脹系數，溫度變化將引起玻璃的折射率變化。波長λB的變化量ΔλB引起應變ε和溫度ΔT變化，式（1）是波長的相對變化量與溫度變化量關系式。

圖3 基于布喇格光柵透射或反射傳感器系統示意圖Fig.3 Basic Bragg grating-based sensor system with transmitted or reflective detection options

式中，Pe是應變光學系數，αs和αf分別是纖維粘結材料和纖維本身的熱膨脹系數，ζ是熱光系數。由于光纖光柵可以被寫入到具有不同的共振波長，它們可以被做成不同形狀的壓力或溫度傳感器，可以測定沿光纖長度方向上不同的位置。利用這種能力，光柵傳感器已被用于土木結構、飛機、海軍艦艇、石油管道等，利用這種“智能皮膚”傳感器網來測量這些結構上的溫度和壓力。在接近室溫的溫度下，電信波長隨溫度而變化約為10 pm/0C[5]。

2 光纖傳感器的應用

光纖傳感器的應用幾乎涉及國民經濟的所有重要領域，20世紀90年代，占光纖傳感器市場份額最大的是生產流水線控制、航空和制藥行業的應用。近些年，人們也發現了光纖傳感器在其他方面的應用在逐年增長，這都歸功于分布式傳感器和多路技術的快速發展，如用于健康檢查、化學與生物傳感等。尤其是光纖傳感器可以安全有效地在惡劣環境中使用，解決了許多行業多年來一直存在的技術難題。

1）光纖傳感器在電力系統的應用

電力系統是一個結構很復雜、分布范圍廣的龐大輸配電系統，在高壓電網和電力通信系統中可能存在著各種難以預知的隱患，因此對系統內高壓電纜溫度和應變、輸送電功率、通信光纜狀態等進行分布式監測是非常重要的。分布式光纖傳感技術是最能體現光纖分布優勢的傳感測量方法，它是基于光纖工程中廣泛應用的光時域反射（OTDR）技術發展起來的一種新型傳感技術。分布式光纖傳感器具有抗電磁干擾、工作頻率寬、動態范圍大等特點，可以準確地測出光纖沿線上任一點被測量場在時間和空間上的應力、溫度、振動和損傷等分布信息，且不需要構成回路。如果能在高壓電纜上并行鋪設傳感光纜，對電力系統的電纜、支撐塔等設施的溫度、壓力進行實時測量，就能夠做到及時排除險情，盡可能減少經濟損失，2008年湖南電力抗冰救災就是一個非常好的實例。目前，國外（主要是英國、日本等）已利用激光喇曼光譜效應研制出分布式光纖溫度傳感器產品。而國內也在積極開展這方面的研究工作[6]。

近年來光纖傳感器在低碳領域也得到廣泛應用，在風力發電中，光纖傳感工藝開始用于檢測和優化風力發電風輪系統。作為發展最快的清潔能源工藝，風輪的尺寸越來越大，這些巨大體積的風輪又是安裝在比較遙遠的風口地帶，監控工程師需要實時了解這些風輪的狀態，光纖傳感器就能發揮其功效，幫助工程師了解風力發電機機組的運行情況[7]。

2）光纖傳感器在醫學方面的應用

醫用光纖傳感器目前主要是傳光型結構，以其小巧、絕緣、不受射頻和微波干擾、測量精度高及與生物體親合性好等優點備受青睞。光纖傳感器的小尺寸在醫學應用中是非常有意義的，光纖光柵傳感器是目前能夠做到最小的傳感器，它對人體組織的損害非常之小，足以避免對正常醫療過程的干擾。光纖光柵傳感器能夠通過最小限度的侵害方式對人體組織功能進行內部測量，提供有關溫度、壓力、血流速度、pH值和聲波場的精確局部信息。

此外，光纖傳感器還可應用于醫用圖像傳輸，醫用內窺鏡就是具體的實例。醫用內窺鏡由末端的物鏡、光纖圖像導管、頂端的目鏡和控制手柄等組成。照明光通過圖像導管外層光纖照射到被觀測物體上，反射光通過傳像光纖束輸出。由于光纖柔軟、自由度大，末端通過手柄控制偏轉來觀測不同的位置信息，而且光纖傳輸圖像失真小，因此，它是檢查和診斷人體內部各種疾病和進行某些外科手術的重要儀器[8]。

3）光纖傳感器應用于土木工程

在土木工程領域內，將光纖傳感器作為一種新型應變傳感器，可用來測量混凝土結構變形及內部應力。光纖傳感器可黏貼在結構物表面，也可通過預埋實現結構物內部物理量的測量。利用預埋的光纖傳感器對混凝土結構內部損傷過程應變的測量，再根據荷載—應變關系曲線斜率，可確定結構內部損傷的形成和擴展方式。通過對混凝土測試實驗表明，光纖測試的載荷—應變曲線比應變片測試的線性度高。

在實際工程應用中，需要實現對建筑物結構全方位、長期檢測，就要解決光纖傳感器的布設問題，為了防止對傳感器造成施工損傷，可采用以下方法對光纖傳感器進行保護：①將光纖傳感器套一金屬導管后一起置于混凝土結構中，混凝土澆筑后，在混凝土固結前將金屬導管取出，這樣光纖光柵傳感器與混凝土很好地固結在一起，而且不會因為澆筑過程損壞傳感器。②將光纖光柵傳感器直接粘貼在鋼筋上，或在鋼筋表面開一個小凹槽，使光柵的裸纖芯部分嵌進凹槽得以保護，或在建造橋梁時把光纖傳感器埋進復合筋。③將光纖光柵直接埋入小型預制構件中，然后把小型預制構件作為大型構件的一部分埋入，外部荷載通過預制件傳遞到光纖光柵傳感器上[9-10]。

4）光纖圖像傳感器

光纖圖像傳感器是采用按一定規則排列的傳像束（光纖束）來傳輸圖像的，如圖4所示。每個傳像束包含數萬條甚至幾十萬條直徑為10～20 μm的光纖。在一條傳像束中，每一條光纖傳送一個像素信息。用傳像束可對圖像進行傳遞、分解、合成和修正。傳像束式的光纖圖像傳感器在醫療、工業和軍事等部門有著廣泛的應用，工業內窺鏡是傳輸圖像的應用實例。在工業生產過程中，經常需要檢查系統內部的結構情況，而這種結構由于各種原因不能打開或不能靠近觀察。采用光纖圖像傳感器將探頭放入系統內部，通過光束的傳輸，可以在系統外部觀察、監視系統內部的情況。工業內窺鏡的一種結構由物鏡、傳像束、傳光束、目鏡組成，光源發出的光通過光束照明視場，通過物鏡和傳像束把內部結構圖像傳送出來，以便觀察和照相。另一種結構是內部結構的圖像通過傳像束送到CCD器件，這樣可把光信號轉換成電信號，送入微機進行處理，并可通過微機輸出控制伺服裝置，以實現跟蹤掃描，其結果也可實時顯示、打印[11]。

圖4 光纖傳像束示意圖Fig.4 Fiber-optic bundie schematic image

5）光纖傳感器在石油化工系統的應用

石油測井是石油工業最基本、非常關鍵的環節，壓力、溫度、流量等參量是油氣井下的重要物理參數，通過先進的技術手段對這些量進行長期的實時監測，及時獲取油氣井下信息，對石油工業具有極為重要的意義。在石油化工系統中，由于工作環境大多處于高溫、高壓、化學腐蝕以及電磁干擾強等場合，使得常規傳感器難以在這種惡劣環境下很好地發揮作用。然而光纖本身不帶電，體小質輕，易彎曲，抗電磁干擾、抗輻射性能好，特別適合空間受嚴格限制及強電磁干擾等惡劣環境下使用，因此光纖傳感器在油井參數測量中發揮著不可替代的作用，它將成為可應用于油氣勘探及石油測井等領域的一項具有廣闊市場前景的新技術[12]。

3 結束語

隨著對光纖傳感技術的研究不斷深入，勢必會對國民生產、科學研究、國防建設等諸多領域產生深遠影響。目前，光纖傳感器技術正朝著多用途、高靈敏、精確、適應性強、微型化、智能化、低功耗、低成本、無線傳輸、便攜式方向發展。然而由于解調技術還不夠成熟，批量生產光纖傳感器的廠家還很少，并且我國在技術和生產能力上同發達國家相比還有較大差距，因此我國的光纖傳感器行業任重而道遠，但前途光明，潛力巨大。

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