光纤传感器简介

光纤最早是应用于光的传输，适合长距离传递信息，是现代信息社会光纤通信的基石。光波在光纤中传播的特征参量会因外界因素的作用而间接或直接地发生变化，由此光纤传感器就能分析探测这些物理量、化学量和生物量的变化。

光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。其基本原理是将光源的光经入射光纤送入调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使入射光的某些光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。

光纤传感器的分类

光纤传感器按结构类型可分两大类：一类是功能型(传感型)传感器;另一类是非功能性(传光型)传感器。

(1)功能型光纤传感器

利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作为传感元件，对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。

光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，多采用多模光纤。

优点：结构紧凑，灵敏度高。

缺点：须用特殊光纤，成本高。

典型应用：光纤陀螺、光纤水听器等。

(2)非功能型传感器

是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上被测量调制。

优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。

缺点：灵敏度较低。

实用化的大都是非功能型的光纤传感器

根据被调制的光波的性质参数不同，这两类光纤传感器都可再分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振态调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。

1) 强度调制型光纤传感器

基本原理是待测物理量引起光纤中传输光光强的变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量。恒定光源发出的强度为I的光注入传感头，在传感头内，光在被测信号的作用下其强度发生了变化，即受到了外场的调制，使得输出光强的包络线与被测信号的形状一样，光电探测器测出的输出电流也作同样的调制，信号处理电路再检测出调制信号，就得到了被测信号。

这类传感器的优点是结构简单、成本低、容易实现，因此开发应用的比较早，现在已经成功的应用在位移、压力、表面粗糙度、加速度、间隙、力、液位、振动、辐射等的测量。强度调制的方式很多，大致可分为反射式强度调制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸收系数强度调制等等。一般反射式强度调制、透射式强度调制、折射率强度调制称为外调制式，光模式称为内调制式。但是由于原理的限制，它易受光源波动和连接器损耗变化等的影响，因此这种传感器只能用于干扰源较小的场合。

2) 相位调制型光纤传感器

基本原理是：在被测能量场的作用下，光纤内的光波的相位发生变化，再用干涉测量技术将相位的变化转换成光强的变化，从而检测到待测的物理量。相位调制型光纤传感器的优点是具有极高的灵敏度，动态测量范围大，同时响应速度也快，其缺点是对光源要求比较高同时对检测系统的精密度要求也比较高，因此成本相应较高。

目前主要的应用领域为：利用光弹效应的声、压力或振动传感器;利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器;利用电致伸缩的电场、电压传感器;利用赛格纳克效应的旋转角速度传感器(光纤陀螺)等。

3) 频率调制型光纤传感器

基本原理是利用运动物体反射或散射光的多普勒频移效应来检测其运动速度，即光频率与光接收器和光源间运动状态有关。当它们相对静止时，接收到光的振荡频率;当它们之间有相对运动时，接收到的光频率与其振荡频率发生频移，频移大小与相对运动速度大小和方向有关。

因此，这种传感器多用于测量物体运动速度。频率调制还有一些其他方法，如某些材料的吸收和荧光现象随外界参量也发生频率变化，以及量子相互作用产生的布里渊和拉曼散射也是一种频率调制现象。其主要应用是测量流体流动，其它还有利用物质受强光照射时的拉曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器;利用光致发光的温度传感器等。

4) 偏振态调制型光纤传感器

基本原理是利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息。

光波是一种横波，它的光矢量是与传播方向垂直的。如果光波的光矢量方向始终不变，只是它的大小随相位改变，这样的光称为是线偏振光。光矢量与光的传播方向组成的平面为线偏振光的振动面。如果光矢量的大小保持不变，而它的方向绕传播方向均匀的转动，光矢量末端的轨迹是一个圆，这样的光称为圆偏振光。如果光矢量的大小和方向都在有规律的变化，且光矢量的末端沿一个椭圆转动，这样的光称为椭圆偏振光。

利用光波的偏振性质，可以制成偏振调制光纤传感器。在许多光纤系统中，尤其是包含单模光纤的那些系统，偏振起着重要的作用。许多物理效应都会影响或改变光的偏振状态，有些效应可引起双折射现象。所谓双折射现象就是对于光学性质随方向而异的一些晶体，一束入射光常分解为两束折射光的现象。光通过双折射媒质的相位延迟是输入光偏振状态的函数。

偏振态调制光纤传感器检测灵敏度高，可避免光源强度变化的影响，而且相对相位调制光纤传感器结构简单、且调整方便。其主要应用领域为：利用法拉第效应的电流、磁场传感器;利用泡尔效应的电场、电压传感器;利用光弹效应的压力、振动或声传感器;利用双折射性的温度、压力、振动传感器。目前最主要的还是用于监测强电流。

5)波长调制型光纤传感器

传统的波长调制型光纤传感器是利用传感探头的光谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。

此类传感器多为非功能型传感器。在波长调制的光纤探头中，光纤只是简单的作为导光用，即把入射光送往测量区，而将返回的调制光送往分析器。光纤波长探测技术的关键是光源和频谱分析器的良好性能，这对于传感系统的稳定性和分辨率起着决定性的影响。

光光纤波长调制技术主要应用于医学、化学等领域。例如，对人体血气的分析、PH值检测、指示剂溶液浓度的化学分析、磷光和荧光现象分析、黑体辐射分析和法布里一珀罗滤光器等。而目前所称的波长调制型光纤传感器主要是指光纤布拉格光栅传感器(FBG)。

光纤传感器的特点和优势

光纤传感器有极高的灵敏度和精度、固有的安全性好、抗电磁干扰、高绝缘强度、耐腐蚀、集传感与传输于一体、能与数字通信系统兼容等优点。概括如下：

(1)高灵敏度;

(2)轻细柔韧便于安装埋设;

(3)电绝缘性及化学稳定性。光纤本身是一种高绝缘、化学性能稳定的物质，适用于电力系统及化学系统中需要高压隔离和易燃易爆等恶劣的环境中;

(4)良好的安全性。光纤传感器是电无源的敏感元件，故应用于测量中时，不存在漏电及电击等安全隐患;

(5)抗电磁干扰。一般情况下光波频率比电磁辐射频率高，因此光在光纤中传播不会受到电磁噪声的影响;

(6)可分布式测量。一根光纤可以实现长距离连续测控，能准确测出任一点上的应变、损伤、振动和温度等信息，并由此形成具备很大范围内的监测区域，提高对环境的检测水平;

(7)使用寿命长。光纤的主要材料是石英玻璃，外裹高分子材料的包层，这使得它具有相对于金属传感器更大的耐久性;

(8)传输容量大。以光纤为母线，用传输大容量的光纤代替笨重的多芯水下电缆采集收纳各感知点的信息，并且通过复用技术，来实现对分布式的光纤传感器监测

分布式光纤传感器

分布式光纤传感技术是在70年代末提出的，它是随着现在光纤工程中仍应用十分广泛的光时域反射(OTDR)技术的出现而发展起来的。在这十几年里，产生了一系列分布式光纤传感机理和测量系统，并在多个领域得以逐步应用。目前，这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。

分布式光纤传感器是采用独特的分布式光纤探测技术，对沿光纤传输路径上的空间分布和随时间变化信息进行测量或监控的传感器。利用光波在光纤中传输的特性，可沿光纤长度方向连续的传感被测量(如温度、压力、应力和应变等)，光纤既是传感介质，又是被测量的传输介质。它将传感光纤沿场排布，可以同时获得被测场的空间分布和随时间的变化信息，

分布式光纤传感器有以下一些特点：

1)分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤;

2)一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被测量的二维和三维分布情况;

3)系统的空间分辨力一般在米的量级，因而对被测量在更窄范围的变化一般只能观测其平均值;

4)系统的测量精度与空间分辨力一般存在相互制约关系;

5)检测信号一般较微弱，因而要求信号处理系统具有较高的信噪比;

6)由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描、相位的跟踪等处理，因而实现一次完整的测量需较长的时间。

由于光纤电缆不易被电磁干扰，因此，分布式光纤温度传感系统通常用于电力电缆热点区位的温度监控和测量。对恶劣环境的把握和管理以及改善野外作业环境需求是促进分布式光纤温度传感系统市场稳定增长的主要原因。同时，传感器电缆部署的技术难题也是这一市场发展面临的主要障碍。随着应用越来越广泛，现在分布式光纤传感器主要用于6大领域，包括管道和近海石油平台等的结构检测;液体管道和大坝的渗漏探测;路面结冰探测、铁路监测;安全系统探测、电力电缆监视;光纤通信生产监测;环境监测和长期温度测量。

光纤传感器原理

光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，称为被调制的信号光，再利用被测量对光的传输特性施加的影响，完成测量。

光纤传感器的测量原理有两种。

(1)物性型光纤传感器原理，物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。

因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界参数(温度、压力、振动等)引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压等。

(2)结构型光纤传感器原理，结构型光纤传感器是由光检测元件(敏感元件)与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。

性能

光纤具有很多优异的性能，例如：具有抗电磁和原子辐射干扰的性能，径细、质软、重量轻的机械性能;绝缘、无感应的电气性能;耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方，或者对人有害的地区(如核辐射区)，起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

特点

一、灵敏度较高;

二、几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器;

三、可以制造传感各种不同物理信息(声、磁、温度、旋转等)的器件;

四、可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境;

五、而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。

光纤传感器的优点是与传统的各类传感器相比，光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，具有光纤及光学测量的特点，有一系列独特的优点。电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，非侵入性，高灵敏度，容易实现对被测信号的远距离监控，耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接。

传感器朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展，它能够在人达不到的地方(如高温区或者对人有害的地区，如核辐射区)，起到人的耳目作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

分类

根据光受被测对象的调制形式可以分为：强度调制型、偏振态制型、相位制型、频率制型;

根据光是否发生干涉可分为：干涉型和非干涉型;

根据是否能够随距离的增加连续地监测被测量可分为：分布式和点分式;

根据光纤在传感器中的作用可以分为：一类是功能型(Functional Fiber，缩写为FF)传感器，又称为传感型传感器; 另一类是非功能型(Non Functional Fiber缩写为NFF)，又称为传光型传感器。

功能型传感器

功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件， 被测量对光纤内传输的光进行调制， 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化， 再通过对被调制过的信号进行解调， 从而得出被测信号。

光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。

优点：结构紧凑、灵敏度高。

缺点：须用特殊光纤，成本高，

典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。

非功能型光纤传感器

非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化， 光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。

光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。

优点：光纤即可用于电气隔离，有用于数据传输，且光纤传输的信号不受电磁干扰的影响。

实用化的大都是非功能型的光纤传感器。AnyWay的变频电压传感器、变频电流传感器、变频功率传感器(一种电压、电流组合式传感器)就属于非功能型的光纤传感器，在复杂电磁环境下的电量测量中，有其独到的优势。

光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。光纤传感器有70多种，大致上分成光纤自身传感器和利用光纤的传感器。

所谓光纤自身的传感器，就是光纤自身直接接收外界的被测量。外接的被测量物理量能够引起测量臂的长度、折射率、直径的变化，从而使得光纤内传输的光在振幅、相位、频率、偏振等方面发生变化。测量臂传输的光与参考臂的参考光互相干涉(比较)，使输出的光的相位(或振幅)发生变化，根据这个变化就可检测出被测量的变化。光纤中传输的相位受外界影响的灵敏度很高，利用干涉技术能够检测出10的负4次方弧度的微小相位变化所对应的物理量。利用光纤的绕性和低损耗，能够将很长的光纤盘成直径很小的光纤圈，以增加利用长度，获得更高的灵敏度。

光纤声传感器就是一种利用光纤自身的传感器。当光纤受到一点很微小的外力作用时，就会产生微弯曲，而其传光能力发生很大的变化。声音是一种机械波，它对光纤的作用就是使光纤受力并产生弯曲，通过弯曲就能够得到声音的强弱。光纤陀螺也是光纤自身传感器的一种，与激光陀螺相比，光纤陀螺灵敏度高，体积小，成本低，可以用于飞机、舰船、导弹等的高性能惯性导航系统。如图就是光纤传感器涡轮流量计的原理。

光纤布拉格光栅传感器

光纤布拉格光栅传感器的工作原理

光纤布拉格光栅传感器(FBS)是一种使用频率最高，范围最广的光纤传感器，这种传感器能根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长。光纤布拉格光栅是通过全息干涉法或者相位掩膜法来将一小段光敏感的光纤暴露在一个光强周期分布的光波下面。这样光纤的光折射率就会根据其被照射的光波强度而永久改变。这种方法造成的光折射率的周期性变化就叫做光纤布拉格光栅。

当一束广谱的光束被传播到光纤布拉格光栅的时候，光折射率被改变以后的每一小段光纤就只会反射一种特定波长的光波，这个波长称为布拉格波长，这种特性就使光纤布拉格光栅只反射一种特定波长的光波，而其它波长的光波都会被传播。

按光纤在光纤传感器中的作用可分为传感型和传光型两种类型。

传感型光纤传感器的光纤不仅起传递光作用，同时又是光电敏感元件。由于外界环境对光纤自身的影响，待测量的物理量通过光纤作用于传感器上，使光波导的属性(光强、相位、偏振态、波长等)被调制。传感器型光纤传感器又分为光强调制型、相位调制型、振态调制型和波长调制型等。

传光型光纤传感器

传光型光纤传感器是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后，通过在输出端进行光信号处理而进行测量的，这类传感器带有另外的感光元件对待测物理量敏感，光纤仅作为传光元件，必须附加能够对光纤所传递的光进行调制的敏感元件才能组成传感元件。光纤传感器根据其测量范围还可分为点式光纤传感器、积分式光纤传感器、分布式光纤传感器三种。其中，分布式光纤传感器被用来检测大型结构的应变分布，可以快速无损测量结构的位移、内部或表面应力等重要参数。用于土木工程中的光纤传感器类型主要有Math-Zender干涉型光纤传感器，Fabry-pero腔式光纤传感器，光纤布喇格光栅传感器等。

光纤传感器的轻巧性、耐用性和长期稳定性，使其能够方便的应用于建筑钢结构和混凝土等各种建筑材料的内部应力、应变检测。实现的建筑结构的健康检测。

光纤传感器的另外一个大类是利用光纤的传感器。其结构大致如下：传感器位于光纤端部，光纤只是光的传输线，将被测量的物理量变换成为光的振幅，相位或者振幅的变化。在这种传感器系统中，传统的传感器和光纤相结合。光纤的导入使得实现探针化的遥测提供了可能性。这种光纤传输的传感器适用范围广，使用简便，但是精度比第一类传感器稍低。

光纤在传感器家族中是后起之秀，它凭借着光纤的优异性能而得到广泛的应用，是在生产实践中值得注意的一种传感器。

光纤传感器凭借着其大量的优点已经成为传感器家族的后起之秀，并且在各种不同的测量中发挥着自己独到的作用，成为传感器家族中不可缺少的一员。

应用

绝缘于污秽、磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流，光纤传感器可用于位移、震动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、PH值和应变等物理量的测量。光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济和国防上所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面的应用：

城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中，用于测试应力松弛、施工应力和动荷载应力，从而评估桥梁短期施工阶段和长期营运状态的结构性能。

在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等，由于电类传感器易受电磁场的干扰，无法在这类场合中使用，只能用光纤传感器。分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术，分布式光纤温度传感系统不仅具有普遍光纤传感器的优点，还具有对光纤沿线各点的温度的分布传感能力，利用这种特点我们可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点温度，定位精度可达米的量级，测量精度可达1度的水平，非常适用大范围交点测温的应用场合。

此外，光纤传感器还可以应用于铁路监控、火箭推进系统以及油井检测等方面。

光纤同时具备宽带、大容量、远距离传输和可实现多参数、分布式、低能耗传感的显著优点。光纤传感可以不断汲取光纤通信的新技术、新器件，各种光纤传感器有望在物联网中得到广泛应用。

案例

应用于土木工程领域

随着光纤传感器技术的发展，在土木工程领域光纤传感器得到了广泛的应用，用来测量混凝土结构变形及内部应力，检测大型结构、桥梁健康状况等，其中最主要的都是将光纤传感器作为一种新型的应变传感器使用。

光纤传感器可以黏贴在结构物表面用于测量，同时也可以通过预埋实现结构物内部物理量的测量。利用预先埋入的光纤传感器，可以对混凝土结构内部损伤过程中内部应变的测量，再根据荷载-应变关系曲线斜率，可确定结构内部损伤的形成和扩展方式。通过混凝土实验表明，光纤测试的载荷-应变曲线比应变片测试的线性度高。

应用于检测技术

光纤传感器在航天(飞机及航天器各部位压力测量、温度测量、陀螺等)、航海(声纳等)、石油开采(液面高度、流量测量、二相流中空隙度的测量)、电力传输(高压输电网的电流测量、电压测量)、核工业(放射剂量测量、原子能发电站泄露剂量监测)、医疗(血液流速测量、血压及心音测量)、科学研究(地球自转)等众多领域都得到了广泛应用。

应用于石油工业

在石油测井技术中，可以利用光纤传感器实现井下石油流量、温度、压力和含水率等物理量的测量。较成熟的应用是采用非本征光纤F—P腔传感器测量井下的压力和温度。非本征光纤F-P腔传感器利用光的多光束干涉原理，当被测的温度或者压力发生变化时干涉条纹改变，光纤F—P腔的腔长也随之发生变化，通过计算腔长的变化实现温度和压力的测量。

应用于温度测量

光纤传感技术是伴随光通信的迅速发展而形成的新技术。在光通信系统中，光纤是光波信号长距离传输的媒质。当光波在光纤中传输时，表征光波的相位、频率、振幅、偏振态等特征参量，会因温度、压力、磁场、电场等外界因素的作用而发生变化，故可以将光纤用作传感器元件，探测导致光波信号变化的各种物理量的大小，这就是光纤传感器。利用外界因素引起光纤相位变化来探测物理量的装置，称为相位调制传感型光纤传感器，其他还有振幅调制传感型、偏振态调制型、传光型等各种光纤传感器。

应用于测量金属丝杨氏模量

采用传感器测量仪代替光杠杆镜尺组组成新的杨氏模量测量系统，不仅操作简短，而且提高了测量结果的精确度和准确度。金属丝传统的拉伸法的基本原理是将金属丝受到砍码的作用力后的微小伸长形变量通过镜尺组的光路转换而将之放大若干倍数，从而得到微小伸长，再通过计算得到杨氏模量值。

而自从有的传感器，我们把光纤传感器测量新方法和上述方法对比，光纤传感器的测量在灵敏度、精确度及准确度上都有提高。红外光测距系统测量的基本原理为采用红外光光纤传感器直接测量微小位移，红外光光纤传感器对于3mm以内的微小距离测量的线性度是非常高的。系统由传感器测量仪与反射式光纤位移传感器组成.

反射式光纤位移传感器的工作原理是采用两束多模光纤，一端合并组成光纤探头，另一端分为两束，分别作为接收光纤和光源光纤。当光发射器发生的红外光，经光源光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤，传至光电转换元件将接收到的光信号转换为电信号。其输出的光强与反射体距光纤探头的距离之间存在一定的函数关系，所以可通过对光强的检测得到位移量。在杨氏模量仪的金属丝处的圆柱体上利用磁铁固定镀镍反射金属片，使其能随钢丝伸长而移动。在支架台上固定红外传感器，而后在传感器测量仪上通过改变位移将实验得到的电势差值，通过多次测试，既转动传感器测量仪自带的螟旋测微仪，也即改变探头与金属片的距离和位置，当出现实验记录的钢丝仲长所对应的电势差值时，记录此时的螺旋测微仪读数。测试表明采用红外光测距此方法操作简单。只需将探头和反射片安装好后就可以直接开始在托盘上加法码实际测量了，侧量的结果是明显优于传统测试。