一、光纖傳感器簡介
光纖*早的出現的目的是用於傳輸光（guāng），在（zài）20世紀70年代初生產出低損耗光纖後，光纖用於長距（jù）離（lí）傳（chuán）遞信息（xī），是光纖通信的基石，也可以豪不誇張的（de）說（shuō）光纖（xiān）也是現代信息社（shè）會的基石。由於（yú）光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質（zhì），而且光波在（zài）光纖中傳播的（de）特征參量(振（zhèn）幅（fú）、相位、偏振態、波長等)會（huì）因外（wài）界因素(如溫度、壓力、應變、振動、聲（shēng）音、磁場、折射率、扭曲、等)的作用而間接或直接（jiē）地發生（shēng）變化（huà），分析這些變化就可（kě）以得到外界作用的某些性質，從而可將（jiāng）光纖用作傳感器元件來探測各種物（wù）理量、化學量和（hé）生物量，這就是光纖傳（chuán）感器的基本原（yuán）理。
光纖傳感器的基本結構由光源、傳輸光纖和光檢（jiǎn）測部分組成。考慮到光纖傳輸（shū）已（yǐ）經很簡單，通常一套完整的光纖傳感器（qì）主要由傳感器和解調儀構成。光源發出的光耦合進光纖，經（jīng）光纖進入調製區；在調製（zhì）區內（nèi）外界被測參數作用於進入（rù）調製區內的光信號，使其光（guāng）學性質如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等發生變化成為被調製的信號光（guāng）：再經（jīng）過光纖送入光檢（jiǎn）測器，光檢測（cè）器對進來的（de）光信號進行光電轉換，輸出電信號（hào）；*後對電信號進行信號處（chù）理而得到可用信（xìn）號，從而獲得被測參數。
傳感技術是當今世界發展*為迅速的高新（xīn）技（jì）術之（zhī）一。新型（xíng）傳（chuán）感器不僅追求高精度、大量程、高可靠（kào）、低功耗和微（wēi）型化，並且向著集成化、多功能、智（zhì）能化和網絡化的方向發展，以滿足工業、農業、國防和科研等各個領域的需求。光纖傳感技術是20世紀70年代隨著光纖技術和光通信技術的發展而迅速發展起來的。它代表了（le）新一代傳感技術的發展趨勢。光纖傳（chuán）感器的產業已被國內（nèi）外公認為*具有發展前（qián）途的高新技術產業之一，它以技術含量高、經濟效益好、滲透能力強、市場前景廣等（děng）特點為世人所矚目。
二、光纖傳（chuán）感器國內外發展現狀
自從1966年（nián）華裔科學家高錕首先提出了（le）用玻璃纖（xiān）維傳輸光信息，奠定了光（guāng）纖通訊和光纖傳（chuán）感技術的理論基礎（chǔ），1970年美國（guó）康寧公司的D．B．Keck,A．R．Yynes等人率先製（zhì）造了低損耗(20dB/Km)石英光纖，光纖製造工藝已經得到（dào）了長足的發展，並在光通訊（xùn）等領域逐漸（jiàn）得到了廣（guǎng）泛應用。同時人們逐漸意（yì）識到利用光纖的許多特性可以進（jìn）行物理量的測量：70年代中期光纖傳感器一經出現，就受到各國（guó）有（yǒu）關研究部門的高度重視。
(1)國內光纖傳感器發展現狀
我國在70年代末就開始了光纖傳感器的研究，其起（qǐ）步（bù）時間與國（guó）際相差不遠。目前已有上百個單位在這（zhè）一領（lǐng）域（yù）開展工作，其中的大學包括清華大學、北京航天航空大學，哈爾濱工程大學、哈（hā）爾濱工業大學、吉林大學（xué）、大連理工大（dà）學、北京交通大學、華中科技大學、北京理工大學、南開大學（xué）、天津大學、武漢理工大學、重慶大學、電子科技大學、上海大學、上海交通大（dà）學、複旦大學、浙江大學、南京大學、南京航空航天大學（xué）、暨南大學、深圳大學、國防科技大學、中國（guó）計量（liàng）大學等，研究所（suǒ）包括：電子工業部下的38所，航天11所、中科院半（bàn）導體所、上海微係統所、航空（kōng）304所等。目前從事光纖傳感器產業化的公司估計有上一百家了。他們在光纖溫度（dù）傳感器、壓（yā）力計、流量（liàng）計、液位計、電流計、位移計等領域進行了大量的研究，取得了上百項科（kē）研成果，其中相當（dāng）數量（liàng）的（de）研究成果具有很高的實用價值，有的達到世界先進水平。每年發表的論文、申請的**也（yě）不少。但與發達國家相比，我國的差距主要表（biǎo）現在產品的可靠性、穩定性（xìng）方麵，大（dà）多數品種仍處（chù）於實驗室研製階段，不能投入批量生產和工程化應用。
(2)國外光纖傳感器發（fā）展（zhǎn）現狀
由於光纖傳感器應用的廣泛性及其廣闊的市場，其研究和（hé）開發在世界（jiè）範圍內引起了高度的重視，各發達國家更是競相研究開發並引起（qǐ）激烈的競爭。美國是研（yán）究光纖傳感器起步*早、水平*高的國家，在**和民（mín）用領域的應用方麵，其進展都十分迅速。在**應用方麵，他們研究和（hé）開發主要（yào）包括：水下探測的光（guāng）纖傳感器，用於航空監測的光（guāng）纖傳感器，光（guāng）纖陀（tuó）螺，用於核輻射檢（jiǎn）測的光（guāng）纖傳感器等。這些研究都分別由美國（guó）空軍、**、陸軍和國家宇航局(NASA)的有關部門負責，並（bìng）得到許（xǔ）多大公司的資助。
美國也是*早將光纖傳感器用於民用領域的國（guó）家。如運用光纖傳感器（qì）監測電力係統的電流、電壓、溫度等重要參數，監測橋梁和重要建築物的應（yīng）力變化，檢測肉類和食品的**和病毒等。美國的很多大學、研究單位和公（gōng）司都開展了光纖傳感器的研究和開（kāi）發，如斯坦福大學、弗吉尼亞理工大學、Babock&Wilcox公司、Accufiber公司、Fidberdy-Elamies公司、EOTcc公司、Optical技術公司等。據統計，1993年以後，美國光纖（xiān）傳感（gǎn）器的銷售總額每年以30-40％的增長速度發展，到（dào）2000年達到100億美（měi）元。近期的調查結果表明（míng），美國光纖傳感器的研究開發重點已經向民用領域轉移，民用光纖傳感器的產量已（yǐ）**超過**傳感器（qì）。
日（rì）本和西歐各國也高度重視並投入大量經費開展光纖傳（chuán）感器的研（yán）究與開（kāi）發。日本在80年（nián）代便製定了“光控係統應用計劃”，該計劃旨在將光（guāng）纖（xiān）傳感（gǎn）器（qì）用於大型工廠，以解決強電磁幹擾和易燃易爆等惡劣環境中的信息測量、傳輸和生產過程的控製。90年代，由東芝（zhī）、日本電氣等15家公司和研究機構，研究開發出12種具有**水平的民用（yòng）光纖傳感器，其（qí）中*有代表性的是波長掃描型光纖溫（wēn）度傳感器。它是光纖（xiān）傳感（gǎn）器網絡係統，可把分散在工廠各（gè）場所的（de）信息進行時序化處理，並以全光方式收集。這種網絡（luò）裝置可連接1000個以上的傳感器。由於該網絡係統不使用電（diàn）氣器件，**防爆，特別適（shì）合於煉（liàn）油廠、化工廠的各種過程控製係（xì）統。該（gāi）係統（tǒng）實際上（shàng）是集（jí）光纖材料、光（guāng）纖傳感器件、計算機網絡等高新技術於一體，其產（chǎn）品在國際（jì）市場上（shàng）具有廣闊（kuò）發展前景。西歐各國的大型企業和公司也積極參與（yǔ）了光纖傳感器的研究與開發和市場競爭，其中包括英國的標準電（diàn）訊公司、法國的（de）湯（tāng）姆遜公司和德國（guó）的西門子公司等。
三、光纖傳感器的分類
光（guāng）纖傳（chuán）感（gǎn）器按（àn）其工作原理可以分為兩類：一類是非（fēi）功能（néng）型(或稱傳光型)光纖傳感器，另一類是功能型(或（huò）稱傳感型)光纖傳感器。非功能型光纖傳感（gǎn）器是利用其它敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為傳播光的介質，傳輸（shū）來自遠處或者難以接近場所的光信號。功能型傳感型光纖傳感器則是利用對外界信息具有敏（mǐn）感能力和檢測能力的光纖(或特殊光纖)作為傳（chuán）感元件，自身實現傳感功能的傳感器。這（zhè）類傳感器（qì）中，光纖不僅起傳遞（dì）光的作用，而且還利用光纖在外界因素的作用（yòng）下，其光學特性的變化（huà）來實現傳感的功能。根據被（bèi）調製的光波參數不同，這兩類光纖傳（chuán）感器都可再分為強度調製光纖傳感器（qì）、相位調製光纖傳感器、頻率調（diào）製光纖傳感器、偏振態調製光纖傳感器和波長調製光纖傳感器。
（1）偏振（zhèn）態調製型光纖傳感器
基本原理是利（lì）用光的偏振態的變化（huà）來傳遞被測對象信息。光波是（shì）一種橫波，它的光矢量是（shì）與傳（chuán）播方向垂直的。如果（guǒ）光波的（de）光矢量方向始終不變，隻（zhī）是它的大小隨（suí）相位改變，這樣的光稱為是線偏振光。光矢量與光的傳播方向組成（chéng）的平麵為（wéi）線（xiàn）偏振光的振動麵。如果光矢量的大小保持（chí）不變，而它的方（fāng）向（xiàng）繞傳播方向均勻的轉動，光矢量末端的軌跡是一個圓，這樣的光稱為圓偏振光。如果（guǒ）光矢（shǐ）量的大小和（hé）方向都在有規律的變（biàn）化，且光矢量的末端沿一個橢圓轉動，這樣（yàng）的光稱為橢圓偏振光。利用（yòng）光（guāng）波的偏振性質，可以製成偏（piān）振調製（zhì）光纖傳感器。在許多光纖係統中，尤其是包含單模光纖的那些係（xì）統，偏振起著重要（yào）的（de）作用。許多物理效應都會影響或改（gǎi）變光的偏（piān）振狀態（tài），有些效應可引起雙折射現象（xiàng）。所謂雙折射現象就是對於光學（xué）性質隨方向（xiàng）而異的一（yī）些晶體，一束入射光常分解為（wéi）兩束折射（shè）光的現象（xiàng）。光通（tōng）過雙折射媒質的相位延（yán）遲是輸入光偏振（zhèn）狀態的函數。偏振態調製光（guāng）纖傳感（gǎn）器檢測靈敏度高，可避免光源強度（dù）變化的影響，而且相對相位調製光纖傳感器結（jié）構簡單、且調整方便。其主要應用領域為：利用法拉第效應（yīng）的（de）電流、磁場傳（chuán）感器；利用泡爾效應的電場、電壓傳感器；利用（yòng）光彈效應的壓力（lì）、振動或（huò）聲傳感器；利用雙折射性的（de）溫度、壓力、振動（dòng）傳（chuán）感器。目前*主要的還是用於監測強電流。
（2）波長調製型（xíng）光纖傳感器
傳統的波長調製型光（guāng）纖（xiān）傳感器是利用傳感探頭的（de）光譜特（tè）性隨外界物理量變化的性質來實現的。此類傳感器多為非功能型傳感器。在波長調製的光纖探（tàn）頭中，光纖隻是簡單的作為導（dǎo）光用（yòng），即把（bǎ）入射光送往測量區，而（ér）將（jiāng）返回的調製（zhì）光送往分析器。光（guāng）纖波長探測技術的關鍵是光源和（hé）頻譜分（fèn）析器的良好（hǎo）性能，這對於（yú）傳（chuán）感係統的穩定性和分辨率起著決定性的影響。光光（guāng）纖波長調製技術主要應用於醫學、化（huà）學等領域。例如，對人體血氣的分析、PH值檢測、指示劑溶液濃度的化學分析、磷光和熒光現象（xiàng）分析、黑體輻射分析和法布裏一珀（pò）羅濾光器等。
（3）頻率調製（zhì）型光纖傳（chuán）感器
基本原理是利用運動物體反射（shè）或散射（shè）光的多普勒頻移效應來檢測其運動速度，即光頻率與光接收器和光源間運動狀態有關。當它們相對靜止時（shí），接收到光的（de）振蕩頻率；當它們之間有相對運動時，接收到的光頻率與其振蕩頻（pín）率發生頻移，頻移（yí）大小與相對運動（dòng）速度大小和方向有關。因此，這種傳感器多用於測量（liàng）物體運（yùn）動速度。頻率調製還有一些其他方法，如某些材（cái）料的吸收和熒光現象隨外界參量也（yě）發（fā）生頻率變化，以及量子相互作（zuò）用產生的布裏淵和拉曼散（sàn）射也是一種頻率調製現象。其主要應用是測量流（liú）體流動，其它還有利用物質受強光照射（shè）時的（de）拉曼散射構成的（de）測量氣體濃度（dù）或監測大氣汙染的氣體傳感器；利用光致發光的溫（wēn）度傳感器等。
（4）強度調製型光纖傳感器
基本原（yuán）理是待測物理（lǐ）量引（yǐn）起光纖中傳輸光光強的變化，通過檢（jiǎn）測光強的變化實現對待測量的測量（liàng）。一恒定光源發出的一定強度的激光注入傳感頭，在傳（chuán）感頭內（nèi），光在被測信號的作用下其強度發生了變化（huà），即受到了（le）外場的調製，使得輸出光強（qiáng）的包絡線與被測信號的形狀一樣，光電探測器測（cè）出的輸出電流也作同樣的調製（zhì），信號處理電路再檢（jiǎn）測出調製信號，就得到了被測信號。這類傳感器的優點是結構簡單、成（chéng）本低、容易實現，因此開發（fā）應用的比較早，現在已經成功的應用在位（wèi）移、壓力、表（biǎo）麵粗糙（cāo）度、加速度、間隙、力、液位、振動、輻射等的測量。強度調（diào）製（zhì）的方式很多，大致可（kě）分為反射式強度調製、透射式強度調製、光模式強度調製以及折射率和吸收（shōu）係數（shù）強度調製等等。一般反射式強度調製、透射式強度調（diào）製、折射（shè）率強度調製稱為外調（diào）製式，光模（mó）式（shì）稱為內調製式（shì）。但是由於原理的限製，它易受光源（yuán）波動和連接（jiē）器損耗變化等的影響，因此這種傳感器隻能用於（yú）幹擾（rǎo）源（yuán）較小的場合。
（5）相位調製型光纖傳感器
基（jī）本原理是：在被測能量場的作用下，光纖內的（de）光波的相位發生（shēng）變化（huà），再用幹涉測量技術（shù）將相位（wèi）的變化轉換成（chéng）光強的變（biàn）化，從而檢測（cè）到待測的（de）物理量。相（xiàng）位調製型光纖傳（chuán）感（gǎn）器的優點是具有（yǒu）極高的靈敏度，動態測量範圍（wéi）大，同時響應（yīng）速度（dù）也快，其缺點是對（duì）光源要（yào）求比較高（gāo）同時對（duì）檢測係統的精（jīng）密度要（yào）求（qiú）也比較高，因此成本相應較高。目前主要（yào）的應用領域為：利用光彈效應（yīng）的聲、壓力（lì）或振（zhèn）動傳感器；利用磁致伸縮效（xiào）應的電（diàn）流、磁場傳感器（qì）；利（lì）用電致伸縮的電場、電壓傳（chuán）感器；利用（yòng）賽格納克（kè）效應的旋（xuán）轉角速度傳感器(光纖陀螺)等。
而目前所稱的波長調製型光（guāng）纖傳感器主要是指光纖布拉格光（guāng）柵傳感器（FBG）。可以毫不誇張的說，正是（shì）有了光（guāng）纖光柵傳感器，光纖（xiān）傳感器才真正開始（shǐ）從實驗室（shì）鄒向大規模的工程應用。
圖（tú）2 光纖光柵傳感器（qì）
四、光纖（xiān）傳感器的（de）優點
無論采用何種調製方法，光纖傳感器與傳統傳感器相比有一係列獨特的（de）優點：
(1)傳輸損（sǔn）耗小，傳輸容量大：可實現遠距離遙控監測和多點分布式測（cè）量。
(2)測（cè）量範圍廣；可（kě）測量溫度、壓強、應變（biàn）、應力、流（liú）量、流速、電流、電壓、
(3)傳感器（qì）端無需供電，是無源器件（jiàn），將傳輸與傳感集合到一（yī）體（tǐ）。
(4)傳感器能夠複用，甚至實現（xiàn）分布式測量（liàng），一台測量儀器可以實現大規模的傳感（gǎn）器測量。
(5)抗電磁幹擾：一般電磁輻射的頻率比光（guāng）波低許多，所以在光纖中傳輸的（de）光信號不受電（diàn）磁幹擾的影響。
(6)電（diàn）絕緣性能好，**可靠：光（guāng）纖本身是由電介質構成的，適（shì）宜於在易燃易爆的（de）油、氣、化工生產中使用（yòng）。
(7)測量精（jīng）度可（kě）以很（hěn）高。有些光纖傳感器（如幹涉型）可以達到非常高（gāo）的測量精度和分辨率。
(8)體積小、重量輕（qīng），幾何形狀（zhuàng）可塑。
(9)耐（nài）腐蝕，化學性能穩定：由於製作光纖的（de）材料——石英具有極高的化學穩（wěn）定性，因此光纖傳感器適宜（yí）於在較惡劣環境中使用。
液位（wèi）、液體濃度成分等，可以說光纖傳感器能測量幾乎所有物理量和很多（duō）化學量。
五、光纖傳感器的實用化進程
目前，世界上光纖傳感器（qì）領域的發展分為兩大方向，原理性研究與應（yīng）用開（kāi）發。隨著光纖技術的日趨成熟，對傳感器的實用化開發成為整個領域發展的（de）熱點和關鍵。光纖傳感器的應用範（fàn）圍很廣，幾乎（hū）涉（shè）及國民經濟的所有重要領域和人們的日常生活，尤其可以**有效地在（zài）惡劣（liè）環（huán）境中使用，解決了許多行業多（duō）年來一直存在的技術難題，具有很大的市場需求。其（qí）應用（yòng）主要表現在以下幾個方麵：
1)在電力係統，需要測定溫度、電流等參數，如對（duì）高壓變壓器和大型電機的定（dìng）子、轉子（zǐ）內的溫度檢測等，由於電類傳感器易受強電磁場的幹擾，無法在這些場合中使用（yòng），隻能用光纖傳感器。
(2)在醫學及生物方麵應用傳感器。醫學臨床應用光纖（xiān）輻射劑量（liàng）計、呼吸係統氣（qì）流傳感係統：圓錐形微型FOS測量（liàng）氧氣濃度及其他生物參數；用FOS探測氫氧化（huà）物及其他化學汙染物；生物（wù）適應FOS係統應用於海水監測、生化技術、醫藥（yào）。
(3)在石油化工係統、礦井、大型電廠等，需要（yào）檢測氧氣、碳氫化合物、CO等（děng）氣體，采用電類傳感器不但達（dá）不到要求的精度，更嚴重的是會引起（qǐ）**事故。因此，研究和開發（fā）高性能的光纖氣敏傳感器，可以**有效（xiào）地實現（xiàn）上述檢測。
(4)在城市建設中的（de）橋梁、高速公路以（yǐ）及大壩水庫（kù）等民用基礎設施的狀態檢測中，光纖檢測技術得到應用，同時光纖檢測技術在航空航天（tiān）領域的應用也越來越廣泛。在（zài）混凝土（tǔ）中埋入光纖傳感器進行結構**監測：在飛機場用幹涉型光（guāng）纖震動傳（chuán）感器（qì）係（xì）統監測交通。
(5)在環境監測、食品（pǐn）**檢測等方麵，由（yóu）於其環（huán）境（jìng）複雜，影響因素多，使（shǐ）用其它（tā）傳感（gǎn）器（qì）達不到所需要的（de）精度，並且易受外界因素的幹擾，采用光纖傳感器可（kě）以具有很強的抗幹擾能力（lì）和較高的精度，可實現對上述各領域的生物量的快速（sù）、方便、準（zhǔn）確地檢測。目前，我國水（shuǐ）源的汙染情況嚴重（chóng），食品**檢測手段比較落後，光纖傳感器在這些領域具有極好的市場前景。
隨著光纖傳感技術的進一步發展（zhǎn），其應用領域將更加廣泛（fàn）。
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