光纤传感器

摘要：光纤传感器是光纤传感器是近几年来出现的集光学、电子学为一体的新型传感器。本文主要介绍了光纤传感器的结构、原理、性能、特点、种类以及其在现实生活中的应用。 关键字：传感器 传感技术 光纤传感器 光纤应用

前言

自从光纤传感这一概念首次提出至今，20多年已经过去了。在这期间，包括光纤和有关器件在内的光纤基本结构有了飞速发展，已从非常简单的玻璃纤维光波导束发展到了现在的种类繁多、设计精致、性能可靠、价格便宜的光纤器件。这些发展进而又激励了人们格光纤作为敏感介质研究的兴趣，而由光纤敏感介质组成的各种器件和子系统又扩展了光在传感器中的各种概念，丰富了光纤的研究内容。

近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，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（如高温区），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。

光纤传感技术优于其他传感技术的原因在于它是在光纤通信的基础上发展的。光纤通信拥有一个广阔的市场。能提供一系列低价格的器件，更重要的是，它形成一门能为光纤传感器所使用的基础科学。这一特点只有在半导体基础工业发展，微型硅器件用于传感器时才能得到充分体现。

1. 传感器的基本组成和结构原理

光纤传感器主要由光源、光纤与探测器3部分组成，光源发出的光耦合进光纤，经光纤进入调制区，在调治区内，外界被测参数作用于进入调区内的光信号，是其光学性质如光的强度、相位、偏振态、波长等发生变化成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器而获得被测参数，光纤传感器中的光纤通常由纤芯、包层、树脂涂层和塑料护套组成，纤芯和包层具有不同的折射率，树脂涂层对光纤起保护作用，光纤按材料组成分为玻璃光纤和塑料光纤；按光纤纤芯和包层折射率的分布可分为阶跃折射率型光纤和梯度折射率光纤两种。光纤能够约束引导光波在其内部或表面附近沿轴线方向向前传播，具有感测和传输的双重功能，是一种非常重要的智能材料。

2. 光纤传感器的性能

光纤传感器的优势可归结到一点，即进入或离开敏感区的调制信号与电没有任何联系。因此，用它制成的光纤传感器（FOS）。与常规传感器相比也有很多特点：抗电磁干扰能力强、高灵敏度 、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单以及与光纤传输线路相容等。光纤传感器可应用于位移、振动、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值等70多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。

3. 光纤传感器的特点

(1).高灵敏度，高精度检测 光量短波长的电磁波，通过光的相位就可以得到光学长度n*l（n为折射率，l为几何长度）的准确信息。使信号光和参考光干涉，通过平方律检测器件，由光强即可知其相位。用这样的干涉器，可以获得一维、二维（或三维）信息。前

者的代表是激光侧长器，目前在半导体IC制造中用作定位传感器。一般，用一维干涉可测出精度为10^-8rad的相位变化。用半导体激光干涉法测量位置变化，其精度可达10^-3~10^-4nm。 (2).高速度检测

光传播速度最快，能传送二维信息， 所以能用于高速测量。

光纤回转仪是一种光谱分析仪。对雷达信号等进行高速频率分析，在电子学方面有些困难，故应用于光的衍射现象光谱分析。一旦得到发展，它就具有实用价值。利用雷达信号中的RF信号，可在LiNh3集成光学器件中对表面超声波激振，使沿光波导管传播的激光衍射。由于衍射方向与RF信号频率对应，根据测出的衍射光分布，即可对RF进行瞬间频率分析。它是应用集成光学技术的最新的设备，禁用平行激光与一枚透镜，就可使二元模型的空间傅立叶变换及相关性在瞬间完成。

(3)．高密度

用透镜可对直径按波长顺序排列的光点进行聚光。 目前实用的磁光存贮器，它将信号存贮在磁光盘上，根据反射的激光强度的变化，读出记录信号。

由于激光可聚光到1um以下，故磁光盘比一般触针法的高密度磁盘更高，特别是它能非接触读出，今后将得到更大发展。这种光磁记录技术是垂直磁记录技术，而且无需用磁头，比现行的磁头式记录密度高l 00倍(10^3bit/cm2)。

(4)．环境适应性

光传感器所用的元件(光纤、透镜等)是用石英等绝缘材料制成的，对电感应、无放电现象，绝缘性高，化学稳定性也好。这种环境适应性好的传感器已得到广泛应用和在不断发展中。

现在，正在研究利用单模光纤中法拉第效应测量电流的各种光传感器。用光电晶体代替法拉第元件，研制了光电压及电场传感器。利用半导体吸收(光谱)端及荧光光谱的光纤温度计已研制成功。

(5).非接触、非破坏

在流体力学及医学中，需测量离子的速度及流量。用激光多普勒效应可对速度进行非接触测量，将激光射到被反射体上，其反射光产生多普勒频移，让它与原激光进行干涉，产生的信号其频差与反射体速度成正比。由于多普勒激光速度及测量动态范围宽，又具有良好的线性，因此获得了广泛的应用。

目前研制的有工业用光纤速度计、医用血流量计等。

在医学、工程、理论等各领域，由视觉获取的信息正在增加。远程直接传送图像，一般可由光纤显示器来完成。但因耗损问题，其使用受到限制。现已研制成超低耗损光纤，将图像传送到100m范围的光线显示器即将问世，这使视觉传感器的用途又扩展了。 (6)．简便性

和其他方法相比，光传感器更为简便。故光传感器必然只用单一的测试方法和信号处理方法。

位移的测量是最基本的。被测物体的形变相位移作为中间环节，通过膜片、双金属的形变可以测出压力，温度。不用于涉法就可观出物体的位移，精度达到几微米至几十微米。

4. 光纤传感器的分类

光纤传感器可分为两大类：功能型（全光纤型）光纤传感器，非功能型（传光型）光纤传感器。

1） 功能型（全光纤型）光纤传感器

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。 2） 非功能型（传光型）光纤传感器

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受被测量调制。 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。

5. 光纤传感器的应用

光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的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:

(1) 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来评估桥梁短期、施工阶段和长期营运状态的结构性能。

(2) 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强电磁场的干扰，无法在这些场合中使用，只能用光纤传感器。

(3) 在石油化工系统、矿井、大型电厂等，需要检测氧气、碳氢化合物、CO等气体，采用电类传感器不但达不到要求的精度，更严重的是会引起安全事故。因此，研究和开发高性能的光纤气敏传感器，可以安全有效地实现上述检测。

(4) 在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面，由于其环境复杂，影响因素多，使用其它传感器达不到所需要的精度，并且易受外界因素的干扰，采用光纤传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精度，可实现对上述各领域的生物量的快速、方便、准确地检测。目前，我国水源的污染情况严重，临床检验、食品安全检测手段比较落后，光纤传感器在这些领域具有极好的市场前景。

(5) 医学及生物传感器。医学临床应用光纤辐射剂量计、呼吸系统气流传感系统;圆锥形微型FOS测量氧气浓度及其他生物参数;用FOS探测氢氧化物及其他化学污染物;光纤表面细胞质粒基因组共振生物传感器;生物适应FOS系统应用于海水监测、生化技术、医药。

6. 光纤传感器的发展方向

光纤传感技术经过20余年的发展也已获得长足的进步，出现了很多实用性的产品，然而实际的需要是各种各样的，光纤传感技术的现状仍然远远不能满足实际需要。目前，光纤传感器技术发展的主要方向是

（1） 传感器的实用化研究。即一种光纤传感器不仅仅只针对一种物理量，

要能够对多种物理量进行同时测量。

（2） 提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度，降低其成本，设计复杂的传感器 网络 工程。注意分布式传感器的参数，即压力、温度，特别是化学参数(碳氢化合物、一些污染物、湿度、PH值等)对光纤的影响。

（3） 传感器用特殊光纤材料和器件的研究。例如:增敏和去敏光纤、荧光光纤、电极化光纤的研究等。这些将是以后传感器进一步发展的趋势。

（4） 在恶劣条件下(高温、高压、化学腐蚀)低成本传感器(支架、连接、安装)的开发和应用。

（5） 新传感机理的研究，开拓新型光纤传感器。 结论

光纤传感技术在国外已经得到迅速发展，我国这方面的工作也正任逐渐被得到重视，并且已取得了一些进展。光纤传感技术的前景是十分美好的，必将得到越来越多的应用。目前我们需要对此作进一步深入研究，将新型的光纤技术很好地和传统的测量技术有机地结合起来，发挥光纤的特点，从而提供新的测量手段。加强基本元器件（传感用特殊光纤和专用有源和无源器件）的研制和生产，加强有关的光电技术（干涉条纹检测技术、弱光信号检测技术）的研究，使其尽快得到实际应用。 参考文献

【1】光纤传感器及其应用 【2】光纤传感器

【3】光纤传感器的研究现状与展望 【4】光纤传感器的发展及其应用综述 【5】光纤传感器的应用

【6】光纤传感器的研究进展 论文评阅 要求 分数 得分 1. 论文内容符合要求，40分 独立完成。 2. 论述清楚，结构完整 20分 3. 字数不少于2500字 10分 4. 论文格式符合要求 10分 总计 80分