光纖傳感器的發展綜述

王慶波　竇超

【摘 要】光纖傳感器件因其具有重量輕、體積小、靈敏度高、抗電磁干擾、易于復用形成分布式測量等優點，成為傳感領域研究的熱點之一。本文介紹了光纖傳感器的發展概況、基本原理、分類、最新研究進展及應用，并指出了光纖傳感器的未來發展趨勢。

【關鍵詞】干涉型光纖傳感器；光纖光柵傳感器；光纖SPR傳感器

0 緒論

光纖通信與光纖傳感技術的研究始于20世紀60年代。光纖傳感技術是以石英光纖或塑料光纖作為信息的傳輸媒介，信號光作為信息的載體，利用外界環境因素的改變使得光在光纖中傳播的波長、光強及相位等特征物理參量發生改變，從而對外界因素進行傳感測量的技術[1]。

1 光纖傳感器的分類

光纖傳感器具有多種分類方式，根據傳感原理可分為功能型傳感器和非功能型傳感器。功能型光纖傳感器也叫傳感型光纖傳感器，光纖直接作為敏感元件；非功能型光纖傳感器也叫傳光型光纖傳感器，光纖只作為傳輸光信號的媒介，需要利用其它的光敏元件來感知外界環境的變化[2]。

2 光纖傳感技術的發展

2.1 干涉型光纖傳感器

當環境介質的折射率發生變化（如振動或溫度變化等引起），傳感光纖經過此處時的光波相位會發生變化。對傳感光纖中的相干光進行相位調制，檢測段處就可以觀察到外界環境變化帶來的干涉結果的變化，這就是干涉型光纖傳感器的工作原理。目前最常用的干涉型光纖傳感器有：邁克爾遜（Michelson）干涉型光纖傳感器、馬赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉型光纖傳感器、法布里-珀羅（Fabry-Perot干涉型光纖傳感器、薩格納克（Sagnac）干涉型光纖傳感器。

與傳統光纖干涉儀傳感器相比，全光纖M-Z干涉儀傳感器的結構更為簡單。在同一根光纖上制作兩個相隔一定距離的光纖結構，使不同模式之間形成干涉，構成光纖內的M-Z干涉儀，因不需要耦合器，具有制作簡單，成本低，尺寸小，靈敏度和穩定性高等顯著的優點。

2013年，Hu Liang等人[3]將一段液體填充的光子晶體光纖熔接到單模光纖上，構成了一種M-Z干涉儀，其溫度和力傳感的靈敏度分別為16.49nm/°C和-14.595nm/N。2014年Wen-Hui Ding等人[4]通過在單模光纖尾端熔接一小段光子晶體光纖，制成一種光纖F-P型溫度傳感器，在25到300°C范圍內溫度響應靈敏度達到-0.011nm/°C。

2.2 光纖光柵傳感器

根據光纖光柵周期的長短，將光柵分為光纖布拉格光柵和長周期光纖光柵。光纖布拉格光柵的光譜是向前傳輸的光與反射回來的光，即傳輸方向相反的模式之間發生耦合。長周期光纖光柵的光譜是同向傳輸的纖芯基模與包層中的高階模之間的耦合，因而也叫透射光柵。光纖光柵的布拉格波長可以表示為，有效折射率neff和柵格周期？撰受溫度和應變的影響，布拉格波長會隨溫度？姿Beagg=2neff？撰和應變的變化產生漂移，這就是光纖光柵傳感器的原理[5]。

2010 年，Yan Feng等人[6]制作了光纖光柵溫度傳感器，實驗表明在35到95°C的溫度段，溫度響應靈敏度為0.02nm/°C。2013年，Xinpu Zhang等人[7]利用多模光纖光柵多峰的特點，解決了在光纖傳感領域一直困擾大家的溫度、折射率等多物理量的交叉敏感問題。

2.3 光纖SPR傳感器

光纖表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）傳感器是一種將光纖作為激發SPR效應基體的新型傳感器。傳統光纖SPR傳感方式主要有在線傳輸式和終端反射式，光纖傳輸模式的能量基本集中在纖芯區域，為保證 SPR效應的產生，無論采用哪種方式，都需要去除其部分包層，在纖芯表面鍍上金屬薄膜。利用光在纖芯-包層界面發生全內反射時產生的SPR效應，通過傳輸損耗譜的峰值變化來分析待測樣品的參數變化。

20世紀90年代，新型光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber，PCF）[12]開始進入科研人員的視野。2006年，Hassani 等人提出了兩種基于PCF的SPR傳感器[8]，在 PCF的第二層空氣孔內壁鍍上金屬膜。空氣孔中填充的待測液體與金屬膜激發的表面等離子體模式發生耦合，仿真結果表明這種傳感器的分辨率能達到10-4RIU。

3 光纖傳感器的應用

由于具有體積小、質量輕、靈敏度高、耐腐蝕、電絕緣性好、抗電磁干擾等諸多優點，光纖傳感器已經在很多領域被廣泛應用。

3.1 土木工程中的應用

光纖傳感器能對鋼筋混凝土結構進行無損傷實時監測，因此光纖溫度、壓力傳感器被廣泛應用于橋梁，隧道的裂縫、錯層以及水利大壩的滲漏和邊坡變形監測，從而及時發現并排除安全隱患。

3.2 電力系統中的應用

我國地域廣闊，各地地理環境和溫度差異很大，光纖電流傳感器和電功率傳感器形成陣列網格排列，對錯綜復雜的線路實現分布式監控，監測電力傳輸網絡中的溫度、電壓和電流等參數，保證電力傳輸的穩定性以及安全性。

3.3 工業生產中的應用

光纖傳感器的耐水性、電絕緣性好，耐腐蝕、抗電磁干擾，特別適合在易燃易爆及強電磁干擾等惡劣環境下使用，因此可以應用于煤礦生產中的井下氣體濃度監測及油氣井開采過程中油、水、氣等生產參數的動態檢測。

3.4 生物醫學中的應用

光纖傳感器有不受射頻和微波的干擾，絕緣性好等優點，同時對生物體有著良好的親和性，因此光纖溫度、壓力傳感器被應用于生物醫學等領域的PH值測量、血液流速測量、醫用圖像傳輸等方面。

4 結語

隨著科技的不斷進步，綜合人類發展的需求，光纖傳感器在未來幾年有以下幾個發展趨勢：1）全光纖微型化，整個傳感部分僅由一根光纖組成。2）實時化測量多個參量，通過一個傳感器實現多個參數的同時測量，并能消除交叉靈敏度。3）光纖傳感器的智能化，傳感器形成分布式陣列網格，提高信息采集的精確度和效率，實現無線傳輸和遠程監測。可見，光纖傳感器有著更為廣闊的應用前景，需要人們不斷探索。

【參考文獻】

[1]周金龍.新型光纖光柵技術及其在光通信與光纖傳感方面應用的研究[D].廈門：廈門大學，2008：1-118.

[2]張麗.光子晶體光纖傳感器的傳感特性研究[D].天津：天津理工大學，2014：1-56.

[3]陳金平.基于Mach-Zehnder干涉的光纖傳感器的特性研究[D].寧波：寧波大，2014：1-56.

[4]趙娜，等.基于光纖粗錐型馬赫-曾德爾干涉儀的高靈敏度溫度傳感器的研制[J].光譜學與光譜分析，2014，34（6）：1722-1726.

[5]李濤.光纖光柵濕度傳感器的研究[D].杭州：中國計量學院，2012：1-67.

[6]沈修鋒.光纖傳感器的制作工藝及工程應用研究[D].北京：北京理工大學，2015：1-67.

[7]羅小東.長距離光纖傳感系統[D].成都：電子科技大學，2008：1-72.

[8]彭楊.表面等離子體共振技術及其在光子晶體光纖傳感中的應用研究[D].長沙：國防科學技術大學，2012：1-69.

[責任編輯：朱麗娜]