光纤传感器及其应用

彭利标，田 野，李冰玉，王奉良

（天津理工大学 中环信息学院，天津 300380）

自光纤技术在电信行业应用取得重大突破之后，该技术又展示了在工业和环境检测等领域的应用前景。自20世纪70年代末光纤传感器诞生以来，因其具有耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰等独特的优点而被广泛应用于各行各业。光纤传感器几乎对任何物理或化学现象都具有敏感作用，所以它可用来完成在易燃易爆、高温高压、化学腐蚀、原子辐射、狭小空间等恶劣环境中的测量任务。光纤传感器还具有质量轻、体积小、绝缘、可绕曲性好等特点，几何形状具有多方面的适应性，且具有与光纤遥测技术的内在相容性，可以制成任意形状的光纤传感器，测量对象广泛、复用性好、成本低等特点。随着信息技术的不断发展，光纤传感器取代传统的机电式传感器已是大势所趋[1]。

1 光纤传感器结构组成及工作原理

光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、敏感元件、光调制器、光探测器、信号处理等部分组成，如图1所示。将来自光源的光波经入射光纤送入被测对象区域（调制区）时，使待测参数与进入调制区的光相互作用，导致光波的特征参量（强度、波长、频率、相位、偏振态、干涉效应等）会由于被测参量（温度、压力、应变、电磁场等）对光纤的作用而发生变化，使光波成为被调制的信号光，经输出光纤送入光探测器，通过解调而获得被测参数，经信号处理电路显示检测结果[2]。

图1 光纤传感器的基本原理图Fig.1 Basic schematic diagram of an optical fibar sensor

光纤传感器种类很多，目前已有40多种测量对象的几百种光纤传感器，按其传感原理总体可分为两大类：一类是利用光纤本身的某种敏感特性制成的传感型光纤传感器，如图2（a）所示，它的光纤对被测信号兼有敏感和传输的双重作用；另一类称为传光型光纤传感器，它的光纤仅起传输光信号的作用，而对被测参量的感知是利用其他光敏感元件来完成，通常是在光纤端面或中间位置加装敏感元件来感受被测量的变化，其结构如图 2（b）所示[3-4]。

图2 光纤传感器结构图Fig.2 Fiber optic sensor structure

按光波在光纤中被调制原理可分为：光强度调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型等几种形式，强度调制型光纤传感器主要有反射式强度调制和透射式强度调制，基于光纤布喇格（FBG）光栅透射或反射传感器系统示意图如图3所示。当从光源发出的入射光施加到光纤布喇格光栅时，从光栅反射的光波长λB=2neff∧G，其中neff是光纤对传输光的有效折射率，∧G是光栅的折射率调制周期。当光纤外部施加机械应力或热扰动时，光纤的折射率做周期性变化，从光栅反射的光谱取决于折射率调制的间距∧G和折射率，应变力场直接影响光纤光栅的响应，通过∧G扩展和压缩，以及通过应变电光效应，玻璃中折射率的变化将引起应变诱导变化。FBG对温度的敏感性主要是由于热光效应，即纤维的热膨胀系数，温度变化将引起玻璃的折射率变化。波长λB的变化量ΔλB引起应变ε和温度ΔT变化，式（1）是波长的相对变化量与温度变化量关系式。

图3 基于布喇格光栅透射或反射传感器系统示意图Fig.3 Basic Bragg grating-based sensor system with transmitted or reflective detection options

式中，Pe是应变光学系数，αs和αf分别是纤维粘结材料和纤维本身的热膨胀系数，ζ是热光系数。由于光纤光栅可以被写入到具有不同的共振波长，它们可以被做成不同形状的压力或温度传感器，可以测定沿光纤长度方向上不同的位置。利用这种能力，光栅传感器已被用于土木结构、飞机、海军舰艇、石油管道等，利用这种“智能皮肤”传感器网来测量这些结构上的温度和压力。在接近室温的温度下，电信波长随温度而变化约为10 pm/0C[5]。

2 光纤传感器的应用

光纤传感器的应用几乎涉及国民经济的所有重要领域，20世纪90年代，占光纤传感器市场份额最大的是生产流水线控制、航空和制药行业的应用。近些年，人们也发现了光纤传感器在其他方面的应用在逐年增长，这都归功于分布式传感器和多路技术的快速发展，如用于健康检查、化学与生物传感等。尤其是光纤传感器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。

1）光纤传感器在电力系统的应用

电力系统是一个结构很复杂、分布范围广的庞大输配电系统，在高压电网和电力通信系统中可能存在着各种难以预知的隐患，因此对系统内高压电缆温度和应变、输送电功率、通信光缆状态等进行分布式监测是非常重要的。分布式光纤传感技术是最能体现光纤分布优势的传感测量方法，它是基于光纤工程中广泛应用的光时域反射（OTDR）技术发展起来的一种新型传感技术。分布式光纤传感器具有抗电磁干扰、工作频率宽、动态范围大等特点，可以准确地测出光纤沿线上任一点被测量场在时间和空间上的应力、温度、振动和损伤等分布信息，且不需要构成回路。如果能在高压电缆上并行铺设传感光缆，对电力系统的电缆、支撑塔等设施的温度、压力进行实时测量，就能够做到及时排除险情，尽可能减少经济损失，2008年湖南电力抗冰救灾就是一个非常好的实例。目前，国外（主要是英国、日本等）已利用激光喇曼光谱效应研制出分布式光纤温度传感器产品。而国内也在积极开展这方面的研究工作[6]。

近年来光纤传感器在低碳领域也得到广泛应用，在风力发电中，光纤传感工艺开始用于检测和优化风力发电风轮系统。作为发展最快的清洁能源工艺，风轮的尺寸越来越大，这些巨大体积的风轮又是安装在比较遥远的风口地带，监控工程师需要实时了解这些风轮的状态，光纤传感器就能发挥其功效，帮助工程师了解风力发电机机组的运行情况[7]。

2）光纤传感器在医学方面的应用

医用光纤传感器目前主要是传光型结构，以其小巧、绝缘、不受射频和微波干扰、测量精度高及与生物体亲合性好等优点备受青睐。光纤传感器的小尺寸在医学应用中是非常有意义的，光纤光栅传感器是目前能够做到最小的传感器，它对人体组织的损害非常之小，足以避免对正常医疗过程的干扰。光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量，提供有关温度、压力、血流速度、pH值和声波场的精确局部信息。

此外，光纤传感器还可应用于医用图像传输，医用内窥镜就是具体的实例。医用内窥镜由末端的物镜、光纤图像导管、顶端的目镜和控制手柄等组成。照明光通过图像导管外层光纤照射到被观测物体上，反射光通过传像光纤束输出。由于光纤柔软、自由度大，末端通过手柄控制偏转来观测不同的位置信息，而且光纤传输图像失真小，因此，它是检查和诊断人体内部各种疾病和进行某些外科手术的重要仪器[8]。

3）光纤传感器应用于土木工程

在土木工程领域内，将光纤传感器作为一种新型应变传感器，可用来测量混凝土结构变形及内部应力。光纤传感器可黏贴在结构物表面，也可通过预埋实现结构物内部物理量的测量。利用预埋的光纤传感器对混凝土结构内部损伤过程应变的测量，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。通过对混凝土测试实验表明，光纤测试的载荷—应变曲线比应变片测试的线性度高。

在实际工程应用中，需要实现对建筑物结构全方位、长期检测，就要解决光纤传感器的布设问题，为了防止对传感器造成施工损伤，可采用以下方法对光纤传感器进行保护：①将光纤传感器套一金属导管后一起置于混凝土结构中，混凝土浇筑后，在混凝土固结前将金属导管取出，这样光纤光栅传感器与混凝土很好地固结在一起，而且不会因为浇筑过程损坏传感器。②将光纤光栅传感器直接粘贴在钢筋上，或在钢筋表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护，或在建造桥梁时把光纤传感器埋进复合筋。③将光纤光栅直接埋入小型预制构件中，然后把小型预制构件作为大型构件的一部分埋入，外部荷载通过预制件传递到光纤光栅传感器上[9-10]。

4）光纤图像传感器

光纤图像传感器是采用按一定规则排列的传像束（光纤束）来传输图像的，如图4所示。每个传像束包含数万条甚至几十万条直径为10～20 μm的光纤。在一条传像束中，每一条光纤传送一个像素信息。用传像束可对图像进行传递、分解、合成和修正。传像束式的光纤图像传感器在医疗、工业和军事等部门有着广泛的应用，工业内窥镜是传输图像的应用实例。在工业生产过程中，经常需要检查系统内部的结构情况，而这种结构由于各种原因不能打开或不能靠近观察。采用光纤图像传感器将探头放入系统内部，通过光束的传输，可以在系统外部观察、监视系统内部的情况。工业内窥镜的一种结构由物镜、传像束、传光束、目镜组成，光源发出的光通过光束照明视场，通过物镜和传像束把内部结构图像传送出来，以便观察和照相。另一种结构是内部结构的图像通过传像束送到CCD器件，这样可把光信号转换成电信号，送入微机进行处理，并可通过微机输出控制伺服装置，以实现跟踪扫描，其结果也可实时显示、打印[11]。

图4 光纤传像束示意图Fig.4 Fiber-optic bundie schematic image

5）光纤传感器在石油化工系统的应用

石油测井是石油工业最基本、非常关键的环节，压力、温度、流量等参量是油气井下的重要物理参数，通过先进的技术手段对这些量进行长期的实时监测，及时获取油气井下信息，对石油工业具有极为重要的意义。在石油化工系统中，由于工作环境大多处于高温、高压、化学腐蚀以及电磁干扰强等场合，使得常规传感器难以在这种恶劣环境下很好地发挥作用。然而光纤本身不带电，体小质轻，易弯曲，抗电磁干扰、抗辐射性能好，特别适合空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用，因此光纤传感器在油井参数测量中发挥着不可替代的作用，它将成为可应用于油气勘探及石油测井等领域的一项具有广阔市场前景的新技术[12]。

3 结束语

随着对光纤传感技术的研究不断深入，势必会对国民生产、科学研究、国防建设等诸多领域产生深远影响。目前，光纤传感器技术正朝着多用途、高灵敏、精确、适应性强、微型化、智能化、低功耗、低成本、无线传输、便携式方向发展。然而由于解调技术还不够成熟，批量生产光纤传感器的厂家还很少，并且我国在技术和生产能力上同发达国家相比还有较大差距，因此我国的光纤传感器行业任重而道远，但前途光明，潜力巨大。

[1]李强，王艳松，刘学民.光纤温度传感器在电力系统中的应用现状综述[J].电力系统保护与控制，2010，38（1）：135-138.LIQiang，WANG Ya-song，LIU Xue-min.Summaryof application status fiber optic temperature sensor in the power system[J].Power System Protection and Control，2010，38（1）：135-138.

[2]Brian Culshaw.Fiber-Optic Sensors Applications and Advances[C]//The International Conference on Optical Fiber Sensors（OFS） startedin London in 1983.OFS 17 took place in Bruges， Belgium， in May 2005.The complete proceedings are available on CD-ROM fromSPIE，Bellingham：24-29.

[3]李文植.光纤传感器的发展及其应用综述[J].科技创新月刊，2005（7）:153-154.LI Wen-zhi.Development and application of optical fiber sensors review[J].Technological Innovation Magazine，2005（7）:153-154.

[4]陈杰，黄鸿.传感器与检测技术[M].2版.北京：高等教育出版社，2010.

[5]Mihailov S J.Fiber bragg grating sensors for harsh environments[J].Sensers，2012，12（2）：1898-1918.

[6]朱燕．光纤传感技术在电力系统的应用研究[J].现代工业经济和信息化，2011（10）：64-65.ZHU Yan.Application of optical fiber sensing technology in power system[J].Modern Industrial Economy and Information Technology，2011（10）：64-65.

[7]王昌，倪家升，王纪强，等.风力发电中全光纤风速传感器及制作工艺研究[J].激光技术，2012，36（5）：689-692.WANG Chang，NI Jia-sheng，WANG Ji-qiang，et al.Research all-fiber wind sensor and wind energy in the production process[J].Laser Technology，2012，36（5）:689-692.

[8]孙素梅，陈洪耀，尹国盛.光纤传感器的基本原理及在医学上的应用[J].中国医学物理学杂志，2008，25（5）：846-850.SUN Su-mei，CHEN Hong-yue，YIN Guo-sheng.The basic principles of fiber optic sensors and applications in medicine[J].Chinese Journal of Medical Physics，2008，25（5）:846-850.

[9]姚钦，史仪凯，刘霞，等.血氧含量和血流量变化光纤检测系统的研究[J].光学精密工程，2008，16（3）：375-381.YAO Qin，SHI Yi-kai，LIU Xia，et al.Study changes in blood flow and oxygen content fiber optic detection system[J].Optics and Precision Engineering，2008，16（3）：375-381.

[10]中国移动物联网.光纤传感器应用于土木工程领域[EB/OL].[2012-12-20]，http://iot.10086.cn/2012-11-20/1352956228598.html

[11]彭利标.光纤通信技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

[12]徐明政，孙延辉.石油工业光纤光栅传感技术的研究与应用[C]//中国科学技术协会学会学术部，第十三届中国科协年会第13分会场-海洋工程装备发展论坛论文集，2011：135-140.