淺談光纖傳感技術的應用與發展

唐江凌 胡君輝

【摘 要】隨著光纖技術的不斷進步，光纖傳感技術在很多的領域得到應用與發展。文章概述了光纖傳感技術的特點、分類，介紹了光纖傳感技術的新近應用與發展，以期激發更多的科研工作者投身光纖傳感技術創新研發，讓光纖傳感技術在我國經濟建設和科學研究方面發揮更重要的作用。

【關鍵詞】光纖傳感技術;應用;發展

中圖分類號： TP212 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）02-0052-002

【Abstract】With the continuous progress of optical fiber technology， optical fiber sensing technology has been applied and developed in many fields. This paper summarizes the characteristics and classification of optical fiber sensing technology and introduces the recent application and development of optical fiber sensing technology. This is to stimulate more investigator to participate in the innovative research and development of optical fiber sensing technology.

【Key words】Optical fiber sensing technology; Application; Development

光纖傳感技術是20世紀70年代發展起來的傳感技術，是以光纖通訊技術、電子器件技術、計算機技術等為基礎發展起來的。光纖傳感技術在光電技術的發展應用中占有十分重要的地位，是衡量一個國家信息化程度的重要標志。

1 光纖傳感技術概述

光纖傳感技術利用外界量引起的光纖中傳播的光的特征參量變化（如波長、頻率、相位、強度、偏振態等），對外界量進行測量和數據傳輸。

1.1 光纖傳感技術的分類[1]

根據被外界量調制的光的特征參量的變化情況，通常可將光纖傳感技術分為光波長調制、光頻率調制、光相位調制、光強度調制和光偏振調制等五種類型。

光波長調制：其基本原理是利用外界量（被測量）改變光纖中光的波長，再通過測量光纖中光的波長的變化，實現對外界量的測量。目前用于光波長調制的方法主要是光學選頻和濾波。

光頻率調制：利用外界量（被測量）對光纖中傳輸的光波頻率進行調制，通過測量光纖中光的頻率的變化來測量外界量。目前光頻率調制技術主要利用多普勒效應來實現。

光相位調制：利用外界量（被測量）改變光纖中光的相位，通過檢測相位變化來測量外界量的稱為光相位調制。因為光波的相位由光傳播的物理長度、傳播介質的折射率及其分布等參數決定，只要改變上述參數即可產生光波相位的變化，實現相位調制。

光強度調制：利用外界量（被測量）的擾動改變光纖中光的強度，再通過測量輸出光強的變化實現對外界量的測量。

光偏振調制：利用外界量（被測量）通過一定的方式使光纖中光波的偏振面發生規律性偏轉（旋光）或產生雙折射，從而導致光的偏振特性變化，通過檢測光偏振態的變化，測出外界被測量。

1.2 光纖傳感技術的特點[2]

與傳統傳感技術相比較，光纖傳感技術擁有以下特點：

（1）精度高。光纖傳感技術利用光作為信息載體，具有光學測量高靈敏度的特點，可以實現某些精密測量。

（2）抗電磁干擾。光纖傳感系統用光纖作為傳遞信息的媒質，傳輸的是光信號，因此可以抵抗電磁干擾，特別適用于大電流、強磁場、強輻射等環境。

（3）使用壽命長。光纖的主要材料是石英，外裹高分子材料的包層，這使得它具有相對于金屬傳感器更大的耐久性。

（4）測量對象廣泛。可以測量壓力、位移、溫度、速度、濃度、PH值等各種物理量、化學量、生物量等。

（5）可分布式測量。利用光纖可以實現長距離連續測控，并由此形成大范圍、連續式的監測區。

2 光纖傳感技術發展

近年光纖傳感技術取得了較快的發展，其中比較突出地體現在以下幾個方面：

2.1 分布式光纖傳感技術[3]

分布式光纖傳感技術利用光纖作為傳輸信號介質，同時利用光纖作為傳感敏感元件，能夠沿著光纖鋪設路徑連續地對被測量進行測量，同時獲取在傳感光纖區域內隨空間和時間變化的被測量的分布信息。分布式光纖傳感技術可以實現大范圍、長距離、長期的連續傳感，是今后光纖傳感器的一個重要發展方向。當前分布式光纖傳感技術主要包括：基于自發及受激拉曼散射的分布式傳感技術，后向瑞利散射分布式光纖傳感技術，前向傳輸模耦合技術以及基于自發及受激布里淵散射的分布式光纖傳感技術等。這些技術都是建立在各種散射機理基礎上的，它們大都擁有具有原理簡單、成本低、溫度分辨率高、空間分辨率高的優點。

2.2 光纖光柵傳感技術[4]

光纖光柵傳感技術是一種典型的光波長調制型光纖傳感技術。光纖光柵傳感技術機理為：被測量（溫度、壓力、壓強、位移、加速度、應變、電流、電壓、頻率、磁場、濃度、振動等）作用于光纖光柵上，從而使光纖光柵的反射和透射譜發生變化。通過檢測光纖光柵反射譜或透射譜的變化，就可以獲得相應的被測量信息。光纖光柵傳感技術的一個重要的優點是可以組成陣列傳感系統，實現分布式傳感。目前，國內外已經開展了廣泛而深入的研究并且取得了很多重要的研究成果，其主要技術有波分復用、時分復用以及混合復用。

2.3 微納光纖傳感技術

微納光纖傳感技術中使用的光纖，其直徑接近或小于傳輸光波長，具有尺寸小、表面光滑、直徑均勻性好、機械性能高、光場約束能力強、強倏逝場、表面場增強效應及反常波導色散等特性，在制備靈敏度高、響應速度快、能耗低的緊湊型光纖傳感器方面具有獨特優勢。其機理為：當被測量發生微小擾動時，通過散射、吸收、色散、發光等方式改變微納光纖傳輸光的特性，可使輸出光的強度、相位等發生變化，進而測算出被測量信息。按照傳感變量的不同，微納光纖傳感技術可分為強度型傳感技術和相位型傳感技術等。當前，微納光纖傳感技術面臨的主要問題有：微納光纖傳感器的集成與封裝、微納光纖的大規模可控制備等。

2.4 智能化光纖傳感技術[5]

目前光纖傳感的智能化主要體現在光纖傳感技術與計算機技術、通信技術的融合。智能化光纖傳感技術，使用單片機、虛擬儀器以及DSP芯片等方式，實現數據及信號的獲取、傳輸、存儲、控制、處理。通過多層次的計算功能（如時頻分析、現代譜分析等），實現各種智能化功能，使傳感成為集數據及信號獲取、傳輸、存儲、控制、處理于一體的多功能系統。

3 光纖傳感技術在各領域的應用

當前，光纖傳感技術已廣泛用于國防軍事、建筑工程、能源電力、生物學及醫療等領域。

3.1 國防軍事領域

在空防領域，光纖轉動傳感技術利用光纖轉動傳感器測量導彈運動過程中的俯仰角、偏航角和橫滾角，以精確引導導彈命中目標。

在海防領域，由于潛艇噪聲降低，傳統的電聲納探測靈敏度接近極限值，基于干涉型的光纖水聽技術已經廣泛應用于構建海防警戒系統。

3.2 建筑工程領域

應用于工程領域的光纖傳感技術主要有光纖光柵傳感技術、拉曼光時域反射技術、布里淵光時域分析技術等。這些技術利用，在建筑中預埋傳感器，可以監測應力場、溫度場以及滲流場等的變化，從而評估建筑短期施工狀態和長期營運狀態。

3.3 能源電力領域

能源電力行業中很多工作環境是處于高輻射、高電磁干擾之下。光纖傳感技術中使用的傳感器具有抗輻射、抗電磁干擾能力，目前已經開始使用于能源電力領域。例如：基于光時域反射技術的分布式光纖傳感技術就在高壓測量中得到廣泛應用。

3.4 生物學及醫療領域

近年來，光纖表面等離子激元共振傳感技術在生物學和醫學領域得到很好的應用。光纖表面等離子激元共振傳感技術克服了傳統等離子激元共振技術檢測系統體積大、儀器價格昂貴、維護成本高、難于實現遙測及在線監測等局限，具備特異識別功能強、響應速度快、分辨率高、靈敏度高等技術優點，可實現靈巧系統、在線遙測及免標記生化測量等，有效地推動了相關檢測技術的發展和普及。

4 我國光纖傳感技術發展和應用方向

我國的光纖傳感技術已經取得了長足的進步，但是也還有不少待研究解決的課題，今后發展和應用方向有：

（1）如何提高分布式傳感的空間分辨率、靈敏度，以便設計復雜的光纖傳感網絡。

（2）如何提高光纖傳感系統的多用途性，使得光纖傳感系統能夠對各種物理量、化學量、生物量進行多種測量。

（3）如何通過改進接口技術等方法使得光纖傳感系統實現智能化。

（4）如何降低光纖傳感系統成本，促使其產業化、商業化等。

5 結束語

隨著我國改革開放的進一步深入，我國國防軍事、建筑工程、能源電力、生物學及醫療等領域必將迎來新的高速發展時期。把光纖傳感技術應用到這些領域中，將會推動這些行業加速發展，更好地滿足國家建設需求。

【參考文獻】

[1]王秀彥，吳斌，何存富，等.光纖傳感技術在檢測中的應用與展望[J].北京工業大學學報，2004，30（4）：406-411.

[2]莫淑華.光纖傳感技術在力學測試中的發展與應用[J].哈爾濱師范大學自然科學學報，2000，16（2）：51-55.

[3]胡曉東，劉文暉，胡小唐.分布式光纖傳感技術的特點與研究現狀[J].航空精密制造技術，1999，35（1）：39-41.

[4]李川，張以謨，趙永貴，等.光纖光柵傳感技術[M].光纖光柵：原理、技術與傳感應用.北京：科學出版社，2005.

[5]王燕花.新型光纖傳感系統的研究與實現[D].北京：北京交通大學，2009.