光纤传感器原理及其应用

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  随着科学技术的慢慢的提升，传感器愈来愈普遍地应用在我们日常生活中。光纤传感器自问世以来得到了迅猛的发展，而今光纤传感器已日趋成熟。本文对光纤传感器的基础原理、组成、分类和特点进行了阐述，并对其应用和发展前途进行了探讨。

  光纤传感器是伴随着光纤及光纤通信技术的发展而逐步形成的一种新型传感器。光纤传感器耐腐蚀、对介质的影响小、有着非常强的抗电磁干扰能力，与传统的传感器相比具有体积小、重量轻，灵敏度高等特点，这一新技术近年来在我国诸多领域得到了广泛的应用。

  光纤传感器的基础原理是光源通过光发送器发出后，以光纤为传输载体传送给敏感元件，在这一过程中，被测量对光的某一性质进行调制，被调制后的光接收光纤然后耦合到光接收器，最终光信号被转变为电信号，电信号再经过信号处理系统处理后变成所需要的被测量。

  光发送器、光接收器、敏感元件、光导纤维及信号处理系统是构成光纤传感器的几个重要组成部分。有些光纤传感器中，光无源器件也作为光线传感器的重要组成部分。光无源器件按照功能上归类可大致分为光衰减器件、光功率分配器件、光连接器件、光隔离器件、光开关器件等。光无源器件在工作过程中不需要任何外部元器件的帮助，依靠自身的性能就可以独立完成某种光学功能。

  光纤传感器按其作用不同可分为三种类型，分别是功能型传感器、非功能型传感器和拾光型传感器。

  功能型传感器中被传输光的许多特性发生了变化，比如光的相位、强度、频率或偏振态等参数。主要是由于光纤内传输的光得到了被测量的调制，在这一过程中，功能型传感器依靠光纤自身的特性把光纤看做了敏感元件。被调制的光再经过信号解调，最终获得被测信号。光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。光纤在其中扮演着导光媒介的角色，同时也是敏感器件。

  非功能型传感器光纤仅作为信息的传输媒介，常采用单模光纤。它是通过非光纤敏感元件来感知被测参量的变化，光纤仅起传输的作用。在此类传感器系统中，由于光纤型敏感元件获得光照才受到被测量调制，所以光纤在传感器系统中扮演着“导光”的重要角色。

  拾光型光纤传感器多采用单模或多模光纤。在拾光型光纤传感器中，测量对象反射、辐射或散射的光信号通过光纤传播到光电元件上。光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等都是拾光型光纤传感器的典型代表。

  光纤传感器的灵敏度较高，电绝缘性及化学稳定性较好。光纤传感器不仅灵敏度较高，而且本身也是一种高绝缘、化学性能稳定的物质，在电力系统及化学系统中得到了广泛应用，尤其试用于条件恶劣的环境，比如高压隔离的工作场地或者易燃易爆的井下工作。

  光纤传感器的安全性能好，抗电磁干扰能力强，且可分布式测量。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风险隐患。光在光纤中传播不可能会受到电磁噪声的影响，同时一根光纤能轻松实现长距离连续测控，并由此形成很大范围内的监测区域，提高对环境的检测水平。

  光纤传感器常规使用的寿命长，传输容量大，测量速度快。石英玻璃作为光纤的主要材料使得光纤传感器相对于金属传感器具有更大的耐久性。由于光的频率高，所容纳的频带宽，所以光纤传感器的传输容量大。光的传播速度最快且能传送二维信息，因此可用于高速测量。

  近几年出现的分布式光纤传感器对大型电机的定子、转子内的温度检测和高压变压器等设备能很好地发挥作用，同时也有效地解决了电力系统网络分布凌乱、结构较为复杂、情况不容易掌握等问题。分布式光纤温度传感器具有极高的定位精度和测量精度，能够实现光纤周围几公里内各点的温度测量，连续性强，实时能力较好。分布式光纤温度传感器有着非常强的预警性，在突发事件发生时能够真实迅速地反映真实的情况，打破了传统的局限性。

  光导纤维传感器能有效用于混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中，这样的形式已经在隧道监测方面、桥梁监测方面和边坡监测方面取得了良好的效果。众所周知，安全事故时常发生在土木施工中，不仅会带来大量的人员受伤或死亡而且还会导致严重的经济损失。在建筑方面引进光导纤维传感器，它较高的精确性和远距离的测量能力为城建工作解决了困扰已久的上述问题。

  一般的传感器在石油化学工业系统的井下很难开展工作，主要是由于井下高温度高压力，具有很严重的电磁波干扰和非物理性腐蚀。而光纤传感器体积小，自身不带电且抗干扰能力强，它以自身的独特优势可以很轻松地在井下开展工作。光纤传感器很适合在狭小、易燃易爆的空间和具有强电磁波干扰的环境下使用，在油气勘探、测量油井参数等工作中，光纤传感器已经获得了大家的一致好评。

  光纤传感器体积小巧，抗干扰能力强，对生物体亲和性好，这些特点使光纤传感器在医学方面得到了广泛的应用。现在医学及生物传感器在医学上已得到了广泛的推广。另外，光纤传感器以其独特的优势在压力测量、PH值测量、温度测量、医用图像传输还有血液速度测量等方面也发挥了重要作用。

  光纤传感器在医学、建筑、石油勘测等方面已经树立了良好的口碑，在测量领域更是得到了广泛的应用。由于科学技术在一直更新，光纤传感器的体积会慢慢的小，整体会趋向于智能化、低功耗、实现无线传输和便于携带。虽然目前为止我国光纤传感器的生产厂商还很少，光纤传感器的发展还落后与其他发达国家，但是光纤传感器作为一种发展的新技术，已与我们息息相关，只要对其进行不断地创新研发，使其发挥出更大的科学价值，光纤传感器在我国的发展一定会蒸蒸日上。

  光纤传感器独特的能力使其在高电压和强电磁干扰的条件下都可以很好地发挥作用，它凭借着自身的优势慢慢的变成了传感器家族的佼佼者和必不可少的一员。随着光纤传感器系统的日益成熟，它将在我们日常的生产和生活中发挥慢慢的变大的作用！

  [1]王昊.关于光纤传感器的应用及发展趋势探讨[J].科技天地.2013（32）.

  [3]尹林，杨熠.光纤传感器及其应用研究[J].电子制作，2013（8）.