光纖傳感器的發(fā)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(fù)用形成分布式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，成為傳感領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。本文介紹了光纖傳感器的發(fā)展概況、基本原理、分類(lèi)、最新研究進(jìn)展及應(yīng)用，并指出了光纖傳感器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)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(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代。光纖傳感技術(shù)是以石英光纖或塑料光纖作為信息的傳輸媒介，信號(hào)光作為信息的載體，利用外界環(huán)境因素的改變使得光在光纖中傳播的波長(zhǎng)、光強(qiáng)及相位等特征物理參量發(fā)生改變，從而對(duì)外界因素進(jìn)行傳感測(cè)量的技術(shù)[1]。

1 光纖傳感器的分類(lèi)

光纖傳感器具有多種分類(lèi)方式，根據(jù)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(hào)的媒介，需要利用其它的光敏元件來(lái)感知外界環(huán)境的變化[2]。

2 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展

2.1 干涉型光纖傳感器

當(dāng)環(huán)境介質(zhì)的折射率發(fā)生變化（如振動(dòng)或溫度變化等引起），傳感光纖經(jīng)過(guò)此處時(shí)的光波相位會(huì)發(fā)生變化。對(duì)傳感光纖中的相干光進(jìn)行相位調(diào)制，檢測(cè)段處就可以觀察到外界環(huán)境變化帶來(lái)的干涉結(jié)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(tǒng)光纖干涉儀傳感器相比，全光纖M-Z干涉儀傳感器的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。在同一根光纖上制作兩個(gè)相隔一定距離的光纖結(jié)構(gòu)，使不同模式之間形成干涉，構(gòu)成光纖內(nèi)的M-Z干涉儀，因不需要耦合器，具有制作簡(jiǎn)單，成本低，尺寸小，靈敏度和穩(wěn)定性高等顯著的優(yōu)點(diǎn)。

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(gòu)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(guò)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(nèi)溫度響應(yīng)靈敏度達(dá)到-0.011nm/°C。

2.2 光纖光柵傳感器

根據(jù)光纖光柵周期的長(zhǎng)短，將光柵分為光纖布拉格光柵和長(zhǎng)周期光纖光柵。光纖布拉格光柵的光譜是向前傳輸?shù)墓馀c反射回來(lái)的光，即傳輸方向相反的模式之間發(fā)生耦合。長(zhǎng)周期光纖光柵的光譜是同向傳輸?shù)睦w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(zhǎng)可以表示為，有效折射率neff和柵格周期？撰受溫度和應(yīng)變的影響，布拉格波長(zhǎng)會(huì)隨溫度？姿Beagg=2neff？撰和應(yīng)變的變化產(chǎn)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(shí)驗(yàn)表明在35到95°C的溫度段，溫度響應(yīng)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(diǎn)，解決了在光纖傳感領(lǐng)域一直困擾大家的溫度、折射率等多物理量的交叉敏感問(wèn)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(fā)SPR效應(yīng)基體的新型傳感器。傳統(tǒng)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(qū)域，為保證 SPR效應(yīng)的產(chǎn)生，無(wú)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(fā)生全內(nèi)反射時(shí)產(chǎn)生的SPR效應(yīng)，通過(guò)傳輸損耗譜的峰值變化來(lái)分析待測(cè)樣品的參數(shù)變化。

20世紀(jì)90年代，新型光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber，PCF）[12]開(kāi)始進(jìn)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(nèi)壁鍍上金屬膜。空氣孔中填充的待測(cè)液體與金屬膜激發(fā)的表面等離子體模式發(fā)生耦合，仿真結(jié)果表明這種傳感器的分辨率能達(dá)到10-4RIU。

3 光纖傳感器的應(yīng)用

由于具有體積小、質(zhì)量輕、靈敏度高、耐腐蝕、電絕緣性好、抗電磁干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)，光纖傳感器已經(jīng)在很多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

3.1 土木工程中的應(yīng)用

光纖傳感器能對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此光纖溫度、壓力傳感器被廣泛應(yīng)用于橋梁，隧道的裂縫、錯(cuò)層以及水利大壩的滲漏和邊坡變形監(jiān)測(cè)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除安全隱患。

3.2 電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

我國(guó)地域廣闊，各地地理環(huán)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(wǎng)格排列，對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的線路實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)控，監(jiān)測(cè)電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中的溫度、電壓和電流等參數(shù)，保證電力傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及安全性。

3.3 工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)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(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用，因此可以應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)中的井下氣體濃度監(jiān)測(cè)及油氣井開(kāi)采過(guò)程中油、水、氣等生產(chǎn)參數(shù)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

3.4 生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

光纖傳感器有不受射頻和微波的干擾，絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)生物體有著良好的親和性，因此光纖溫度、壓力傳感器被應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的PH值測(cè)量、血液流速測(cè)量、醫(yī)用圖像傳輸?shù)确矫妗?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

隨著科技的不斷進(jìn)步，綜合人類(lèi)發(fā)展的需求，光纖傳感器在未來(lái)幾年有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：1）全光纖微型化，整個(gè)傳感部分僅由一根光纖組成。2）實(shí)時(shí)化測(cè)量多個(gè)參量，通過(guò)一個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)多個(gè)參數(shù)的同時(shí)測(cè)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(wǎng)格，提高信息采集的精確度和效率，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。可見(jiàn)，光纖傳感器有著更為廣闊的應(yīng)用前景，需要人們不斷探索。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]