淺析光纖傳感器的分類及特點

光纖最早是應(yīng)用于光的傳輸，適合長距離傳遞信息，是現(xiàn)代信息社會光纖通信的基石。光波在光纖中傳播的特征參量會因外界因素的作用而間接或直接地發(fā)生變化，由此光纖傳感器就能分析探測這些物理量、化學(xué)量和生物量的變化。

光纖傳感器

光纖傳感器由光源、入射光纖、出射光纖、光調(diào)制器、光探測器以及解調(diào)制器組成。其基本原理是將光源的光經(jīng)入射光纖送人調(diào)制區(qū)，光在調(diào)制區(qū)內(nèi)與外界被測參數(shù)相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)(如強度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等)發(fā)生變化而成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)出射光纖送入光探測器、解調(diào)器而獲得被測參數(shù)。

光纖傳感器的分類

光纖傳感器按結(jié)構(gòu)類型可分兩大類：一類是功能型（傳感型）傳感器；另一類是非功能性（傳光型）傳感器。

功能型傳感器

利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特殊光纖)作為傳感元件，對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹姸?、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，再通過被調(diào)制過的信號進行解調(diào)，從而得出被測信號。

光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，多采用多模光纖。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高。缺點：須用特殊光纖，成本高。典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。

非功能型傳感器

是利用其它敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)，常采用單模光纖。光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上被測量調(diào)制。

優(yōu)點：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，成本低。缺點：靈敏度較低。實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。

根據(jù)被調(diào)制的光波的性質(zhì)參數(shù)不同，這兩類光纖傳感器都可再分為強度調(diào)制光纖傳感器、相位調(diào)制光纖傳感器、頻率調(diào)制光纖傳感器、偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器和波長調(diào)制光纖傳感器。

1） 強度調(diào)制型光纖傳感器

基本原理是待測物理量引起光纖中傳輸光光強的變化，通過檢測光強的變化實現(xiàn)對待測量的測量。一恒定光源發(fā)出的強度為的光注入傳感頭，在傳感頭內(nèi)，光在被測信號的作用下其強度發(fā)生了變化，即受到了外場的調(diào)制，使得輸出光強的包絡(luò)線與被測信號的形狀一樣，光電探測器測出的輸出電流也作同樣的調(diào)制，信號處理電路再檢測出調(diào)制信號，就得到了被測信號。

這類傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、容易實現(xiàn)，因此開發(fā)應(yīng)用的比較早，現(xiàn)在已經(jīng)成功的應(yīng)用在位移、壓力、表面粗糙度、加速度、間隙、力、液位、振動、輻射等的測量。強度調(diào)制的方式很多，大致可分為反射式強度調(diào)制、透射式強度調(diào)制、光模式強度調(diào)制以及折射率和吸收系數(shù)強度調(diào)制等等。

一般反射式強度調(diào)制、透射式強度調(diào)制、折射率強度調(diào)制稱為外調(diào)制式，光模式稱為內(nèi)調(diào)制式。但是由于原理的限制，它易受光源波動和連接器損耗變化等的影響，因此這種傳感器只能用于干擾源較小的場合。

2） 相位調(diào)制型光纖傳感器

基本原理是：在被測能量場的作用下，光纖內(nèi)的光波的相位發(fā)生變化，再用干涉測量技術(shù)將相位的變化轉(zhuǎn)換成光強的變化，從而檢測到待測的物理量。相位調(diào)制型光纖傳感器的優(yōu)點是具有極高的靈敏度，動態(tài)測量范圍大，同時響應(yīng)速度也快，其缺點是對光源要求比較高同時對檢測系統(tǒng)的精密度要求也比較高，因此成本相應(yīng)較高。

目前主要的應(yīng)用領(lǐng)域為：利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器；利用賽格納克效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器(光纖陀螺)等。

3） 頻率調(diào)制型光纖傳感器

基本原理是利用運動物體反射或散射光的多普勒頻移效應(yīng)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(tài)有關(guān)。當(dāng)它們相對靜止時，接收到光的振蕩頻率；當(dāng)它們之間有相對運動時，接收到的光頻率與其振蕩頻率發(fā)生頻移，頻移大小與相對運動速度大小和方向有關(guān)。

因此，這種傳感器多用于測量物體運動速度。頻率調(diào)制還有一些其他方法，如某些材料的吸收和熒光現(xiàn)象隨外界參量也發(fā)生頻率變化，以及量子相互作用產(chǎn)生的布里淵和拉曼散射也是一種頻率調(diào)制現(xiàn)象。其主要應(yīng)用是測量流體流動，其它還有利用物質(zhì)受強光照射時的拉曼散射構(gòu)成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器；利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。

4） 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器

基本原理是利用光的偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象信息。

光波是一種橫波，它的光矢量是與傳播方向垂直的。如果光波的光矢量方向始終不變，只是它的大小隨相位改變，這樣的光稱為是線偏振光。光矢量與光的傳播方向組成的平面為線偏振光的振動面。

如果光矢量的大小保持不變，而它的方向繞傳播方向均勻的轉(zhuǎn)動，光矢量末端的軌跡是一個圓，這樣的光稱為圓偏振光。如果光矢量的大小和方向都在有規(guī)律的變化，且光矢量的末端沿一個橢圓轉(zhuǎn)動，這樣的光稱為橢圓偏振光。

利用光波的偏振性質(zhì)，可以制成偏振調(diào)制光纖傳感器。在許多光纖系統(tǒng)中，尤其是包含單模光纖的那些系統(tǒng)，偏振起著重要的作用。許多物理效應(yīng)都會影響或改變光的偏振狀態(tài)，有些效應(yīng)可引起雙折射現(xiàn)象。所謂雙折射現(xiàn)象就是對于光學(xué)性質(zhì)隨方向而異的一些晶體，一束入射光常分解為兩束折射光的現(xiàn)象。光通過雙折射媒質(zhì)的相位延遲是輸入光偏振狀態(tài)的函數(shù)。

偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器檢測靈敏度高，可避免光源強度變化的影響，而且相對相位調(diào)制光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡單、且調(diào)整方便。其主要應(yīng)用領(lǐng)域為：利用法拉第效應(yīng)的電流、磁場傳感器；利用泡爾效應(yīng)的電場、電壓傳感器；利用光彈效應(yīng)的壓力、振動或聲傳感器；利用雙折射性的溫度、壓力、振動傳感器。目前最主要的還是用于監(jiān)測強電流。

5）波長調(diào)制型光纖傳感器

傳統(tǒng)的波長調(diào)制型光纖傳感器是利用傳感探頭的光譜特性隨外界物理量變化的性質(zhì)來實現(xiàn)的。

此類傳感器多為非功能型傳感器。在波長調(diào)制的光纖探頭中，光纖只是簡單的作為導(dǎo)光用，即把入射光送往測量區(qū)，而將返回的調(diào)制光送往分析器。光纖波長探測技術(shù)的關(guān)鍵是光源和頻譜分析器的良好性能，這對于傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性和分辨率起著決定性的影響。

光光纖波長調(diào)制技術(shù)主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)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(xué)分析、磷光和熒光現(xiàn)象分析、黑體輻射分析和法布里一珀羅濾光器等。而目前所稱的波長調(diào)制型光纖傳感器主要是指光纖布拉格光柵傳感器（FBG）。

光纖傳感器的特點和優(yōu)勢

光纖傳感器有極高的靈敏度和精度、固有的安全性好、抗電磁干擾、高絕緣強度、耐腐蝕、集傳感與傳輸于一體、能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等優(yōu)點。概括如下：

(1)高靈敏度；

(2)輕細柔韌便于安裝埋設(shè)；

(3)電絕緣性及化學(xué)穩(wěn)定性。光纖本身是一種高絕緣、化學(xué)性能穩(wěn)定的物質(zhì)，適用于電力系統(tǒng)及化學(xué)系統(tǒng)中需要高壓隔離和易燃易爆等惡劣的環(huán)境中；

(4)良好的安全性。光纖傳感器是電無源的敏感元件，故應(yīng)用于測量中時，不存在漏電及電擊等安全隱患；

(5)抗電磁干擾。一般情況下光波頻率比電磁輻射頻率高,因此光在光纖中傳播不會受到電磁噪聲的影響；

(6)可分布式測量。一根光纖可以實現(xiàn)長距離連續(xù)測控，能準(zhǔn)確測出任一點上的應(yīng)變、損傷、振動和溫度等信息，并由此形成具備很大范圍內(nèi)的監(jiān)測區(qū)域，提高對環(huán)境的檢測水平；

(7)使用壽命長。光纖的主要材料是石英玻璃，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；

(8)傳輸容量大。以光纖為母線，用傳輸大容量的光纖代替笨重的多芯水下電纜采集收納各感知點的信息，并且通過復(fù)用技術(shù)，來實現(xiàn)對分布式的光纖傳感器監(jiān)測。

分布式光纖傳感器

分布式光纖傳感技術(shù)是在70年代末提出的，它是隨著現(xiàn)在光纖工程中仍應(yīng)用十分廣泛的光時域反射（OTDR）技術(shù)的出現(xiàn)而發(fā)展起來的。在這十幾年里，產(chǎn)生了一系列分布式光纖傳感機理和測量系統(tǒng)，并在多個領(lǐng)域得以逐步應(yīng)用。目前，這項技術(shù)已成為光纖傳感技術(shù)中最具前途的技術(shù)之一。

分布式光纖傳感器是采用獨特的分布式光纖探測技術(shù)，對沿光纖傳輸路徑上的空間分布和隨時間變化信息進行測量或監(jiān)控的傳感器。利用光波在光纖中傳輸?shù)奶匦?，可沿光纖長度方向連續(xù)的傳感被測量（如溫度、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變等），光纖既是傳感介質(zhì)，又是被測量的傳輸介質(zhì)。它將傳感光纖沿場排布，可以同時獲得被測場的空間分布和隨時間的變化信息，

分布式光纖傳感器有以下一些特點：

1）分布式光纖傳感系統(tǒng)中的傳感元件僅為光纖；

2）一次測量就可以獲取整個光纖區(qū)域內(nèi)被測量的一維分布圖，將光纖架設(shè)成光柵狀，就可測定被測量的二維和三維分布情況；

3）系統(tǒng)的空間分辨力一般在米的量級，因而對被測量在更窄范圍的變化一般只能觀測其平均值；

4）系統(tǒng)的測量精度與空間分辨力一般存在相互制約關(guān)系；

5）檢測信號一般較微弱，因而要求信號處理系統(tǒng)具有較高的信噪比；

6）由于在檢測過程中需進行大量的信號加法平均、頻率的掃描、相位的跟蹤等處理，因而實現(xiàn)一次完整的測量需較長的時間。

由于光纖電纜不易被電磁干擾，因此，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)通常用于電力電纜熱點區(qū)位的溫度監(jiān)控和測量。對惡劣環(huán)境的把握和管理以及改善野外作業(yè)環(huán)境需求是促進分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)市場穩(wěn)定增長的主要原因。同時，傳感器電纜部署的技術(shù)難題也是這一市場發(fā)展面臨的主要障礙。

隨著應(yīng)用越來越廣泛，現(xiàn)在分布式光纖傳感器主要用于6大領(lǐng)域，包括管道和近海石油平臺等的結(jié)構(gòu)檢測；液體管道和大壩的滲漏探測；路面結(jié)冰探測、鐵路監(jiān)測；安全系統(tǒng)探測、電力電纜監(jiān)視；光纖通信生產(chǎn)監(jiān)測；環(huán)境監(jiān)測和長期溫度測量。

光纖傳感技術(shù)研究伴隨著光纖技術(shù)和光通信技術(shù)，迅猛發(fā)展起來的一種新型傳感技術(shù)。近年來，光纖傳感在機械、電子儀器儀表、航天航空、石油、化工、食品安全等領(lǐng)域的生產(chǎn)過程自動控制、在線檢測、故障診斷等方面，得到了卓有成效的發(fā)展和推廣。