光纖傳感器技術的研究簡史

歐陽菲菲

摘? 要：光纖在工業(yè)和通信中的大量應用使得光纖材料的成本和性能在近年來進步非常快。這使得光纖傳感器在旋轉(zhuǎn)、加速度、電磁場測量、溫度、壓力、聲學、振動、位移和角度、應力、濕度、黏滯性、化學測量等諸多應用領域都具備了替代傳統(tǒng)傳感器的能力 [1]。本文將介紹光纖傳感器的幾種基本類型以及它們的具體應用，盡可能展現(xiàn)出光纖傳感器技術的發(fā)展現(xiàn)狀。

關鍵詞：光纖傳感器;調(diào)制型光纖傳感器;分布式傳感器;傳感器的應用

引言

光纖傳感技術是20世紀70年代末發(fā)展起來的一種新型傳感技術，是隨著實用光纖和光通信技術的發(fā)展而形成的。1970年，康寧公司研制出世界上第一種傳輸損耗為20dB/km的實用石英光纖。在隨后的十年里，以光纖為傳輸介質(zhì)的光纖通信從實驗室發(fā)展階段迅速發(fā)展成為通信領域的一大產(chǎn)業(yè)。在光纖通信系統(tǒng)中，光纖容易受到溫度、壓力等環(huán)境因素的影響，導致光強度、相位、頻率等光波參數(shù)的變化，對通信應用造成危害。然而，它為信息的直接交換奠定了新的基礎，并推導出光纖傳感器的新技術。

光電子學和光纖通信的進步帶來了許多新的產(chǎn)業(yè)的革命，光纖不僅可以作為一種傳輸介質(zhì)，同時也可以用來設計傳感系統(tǒng)。利用光纖作為傳感元件，或者通過光纖來和傳感元件聯(lián)系的技術都包含在光纖傳感器技術的范疇內(nèi)，光纖傳感器技術現(xiàn)在已經(jīng)是光纖技術中的一個重要分支。光纖質(zhì)量輕、體積小、電絕緣、容易組成光纖傳感網(wǎng)絡。這些都使它擁有了其它電子傳感器件不具備的優(yōu)勢。

光纖傳感技術的發(fā)展大致可分為三個主要階段[2]：第一階段是傳輸型光纖傳感器。20世紀70年代末，光纖作為信息交換的基礎，通過光纖器件將光纖中的光傳導與頻帶測量連接起來。第二階段是單模光纖調(diào)制技術。單模光纖的深入應用形成了強度、相位、波長、偏振、時分、頻率、光柵等光纖傳感技術。20世紀80年代中后期，光纖傳感器近100種，開始投入實際應用。第三階段，90年代中后期，光纖傳感技術逐漸形成了智能結(jié)構(gòu)、工業(yè)、生物醫(yī)學、自然生態(tài)和人居五大領域。

1.光纖傳感器的構(gòu)成及分類

光纖傳感器由光源、入射光纖、輸出光纖、光調(diào)制器、光檢測器和解調(diào)器組成。其基本原理是通過入射光纖將光源的光送到調(diào)制區(qū)，并與調(diào)制區(qū)的外部測量參數(shù)相互作用，使光的強度、波長、頻率、相位、偏斜等光學特性正常，等）的光變?yōu)檎{(diào)制信號光，然后通過輸出光纖將其發(fā)送到光檢測器和解調(diào)器，獲得測量參數(shù)。根據(jù)傳感原理，光纖傳感器可分為兩類：一類是光傳輸（非功能）傳感器，另一類是傳感（功能）傳感器。在光纖傳感器中，光纖只是光的傳輸介質(zhì)，被測信號的傳感由其他敏感元件完成。在這種傳感器中，輸出光纖和入射光纖是不連續(xù)的，兩者之間的調(diào)制器是光譜變化或其它特性的敏感元件。在傳感式光纖傳感器中，光纖對被測信號和光信號的傳輸都很敏感。它結(jié)合了信號的“傳感”和“傳輸”，因此這種傳感器中的光纖是連續(xù)的。

由于光纖在這兩種傳感器中的作用不同，對光纖的要求也不同。在透光傳感器中，光纖只起到透光的作用。通信光纖甚至普通多模光纖的使用可以滿足要求，敏感元件可以采用優(yōu)質(zhì)材料靈活實現(xiàn)。因此，這種傳感器的靈敏度可以很高，但需要更多的光耦器件，而且結(jié)構(gòu)復雜。傳感光纖傳感器的結(jié)構(gòu)相對簡單，一些耦合器件可以少用，但對光纖的要求較高，因此往往需要使用對被測信號敏感、傳輸特性好的專用光纖。目前，光纖傳感技術在實際中應用較多，但隨著光纖制造技術的進步，光纖傳感技術將得到廣泛的應用。

根據(jù)光在光纖中的調(diào)制原理，光纖傳感器可分為強度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、波長調(diào)制等。到目前為止，光纖傳感器可以測量70多種物理量。

2 光纖傳感器的應用

光纖傳感器的應用十分廣泛，因為它獨特的物理光學性質(zhì)使光纖傳感器幾乎可以用來測量所有能夠想到的物理量。下面選取一些具體案例來進行介紹。

2.1光學層析成像 [2][3][4]

光層析成像技術主要有光相干層析成像（Optical Coherence Tomography，OCT），光過程層析成像（Optical Process Tomography，OPT）光彌散層析成像（Diffuse Optical Tomography，DOT）等。其中 OCT 采用低相干干涉技術（白光干涉或?qū)捁庾V干涉）和共焦顯微鏡原理，對生物樣品內(nèi)部組織細微結(jié)構(gòu)成像的分辨能力達到微米量級。OCT 技術可以使臨床上實現(xiàn)對人體組織非接觸且無損傷的診斷和動態(tài)監(jiān)測。DOT 利用生物組織被近紅外光遠陣列發(fā)出的光照射，經(jīng)過鏡面反射，多次散射和吸收后被光探測器陣列接收。OCT 和 DOT 技術在生物和臨床醫(yī)學方面都有廣闊應用前景。OPT 的特點是光通過介質(zhì)時光強度的變化與光路上不同介質(zhì)的分布及介質(zhì)的衰減有關。當被測介質(zhì)在各個方向或位置有足夠多的投影數(shù)據(jù)時，可以利用一定的重建算法將被測信息用圖像的形勢變現(xiàn)出來。光纖體積小，安全性高，不受電磁干擾以及能夠進行組成分布式測量網(wǎng)絡的優(yōu)點在這里就體現(xiàn)出來了。

2.2 光纖傳感器在工程領域中的應用

隨著光纖傳感技術的發(fā)展，它在土木工程領域得到了廣泛的應用。分布式光纖傳感器可以測量混凝土結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)應力，檢測大型結(jié)構(gòu)和橋梁的健康狀況，其中最重要的是將光纖傳感器作為一種新型的應變傳感器。

該光纖傳感器可以附著在結(jié)構(gòu)表面進行測量，也可以嵌入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)內(nèi)部物理量的測量。利用預埋式光纖傳感器，可以測量混凝土結(jié)構(gòu)在內(nèi)部損傷過程中的內(nèi)部應變。根據(jù)荷載-應變曲線的斜率，可以確定結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷的形成和擴展方式。同時，分布式光纖溫度傳感器也可以應用于建筑中。

2.3 其他

光纖傳感器在能源領域也有很多應用。它可以做成電流傳感器，檢測傳輸電纜的負載。利用多元 FBG 分布式光柵，可以遠距離的檢測在惡劣環(huán)境下的電纜的情況。光纖傳感器因為其不受電磁干擾，耐腐蝕，可以組成長距離監(jiān)控網(wǎng)絡等優(yōu)點，在核電，風能發(fā)電等領域也有廣泛應用。此外光纖傳感器在航天器也有很多應用。它可以用來檢測飛機及航天器的溫度，檢測機身和機翼各部位壓力，作為陀螺儀等。光纖傳感器還可以用在石油工業(yè)，它可以用來探測底下石油的流量，溫度。

3 小結(jié)

自從光纖發(fā)明以來，光電子技術和光纖技術在不斷地飛速發(fā)展。經(jīng)歷了二十多年的研發(fā)階段，光纖傳感技術已經(jīng)進入了實用化階段，形成了光纖傳感器的一個新領域。不少光纖傳感器以其特有的有點，逐漸替代傳統(tǒng)的電子傳感器。利用光纖傳感器技術制造的系統(tǒng)可以把傳統(tǒng)電子儀表系統(tǒng)改造成更為安全可靠的光纖式儀表系統(tǒng)。

此外，隨著光子晶體、納米材料等領域的發(fā)展，新的原理不斷應用到光纖傳感器技術中，光纖傳感器技術和這些新技術互相推動著各自的發(fā)展。光纖傳感器具有很多優(yōu)點，如何把實驗室中開發(fā)出的新型傳感器投入到實際應用中，提高穩(wěn)定性并，降低光纖傳感器的使用成本仍然是新時代光纖傳感技術的重要課題。

參考文獻

[1]? Gholamzadeh B，Nabovati H. Fiber optic sensors[J]. World Academy of Science，Engineeringand Technology，2008，42（3）：335-340.

[2]? 李川 等 2012.光纖傳感技術 北京：科學出版社

[3]? 劉鐵根 江俊峰 等 2012.11 分立式光纖傳感技術與系統(tǒng) 北京：電子工業(yè)出版社