光纤传感器的制作工艺及工程应用研究
陈涛
深圳太辰光通信股份有限公司广东深圳518040
摘要：光纤传感器是以光纤为基础制作的新型传感器设备，具有抗电磁干扰能力强、电绝缘性好、耐腐蚀、测量范围广、体积小以及传输容量大等优点，常用于检测位移、温度、偏振、压力等，现代光纤传感器能在高压环境下代替人工完成作业，因此被广泛用于医疗、交通、电力、机械、航空航天等各个领域。

如今光纤传感技术的应用推动通信技术的飞速发展，在众多产业有重要的地位。

基于此，本文将着重分析探讨光纤传感器的制作工艺及其应用要点。

关键词：光纤传感器；制作；应用
1、光纤传感器基本原理概述
光纤传感器主要分为传感型和传光型等两类，其中传感型的传感器主要是利用被测对象的物理和化学的状态变化来引起光纤传输特性的变化，并通过传光特性来检测光纤中所传输光波的强度、相位等的变化，最终确定被测对象的状态。

而传光型的传感器主要是利用被测对象的状态变化，引起光变换器件工作状态的变化，通过利用传光特性来检测光变换器中光纤所传输光波参数的变化，最终确定被测对象的状态。

1）典型的光纤传感器光源有发光二极管和半导体激光器；白炽灯也可用于某些化学传感器。

2）光纤包括石英光纤、玻璃光纤和塑料光纤，其中石英光纤和玻璃光纤主要用于红外波段，塑料光纤则主要用于可见光波段；在某些传感器中还需要用专门研制的特殊光纤。

3）光纤器件是为了使信号被限制在纤芯范围内传输，或是为了改变光的某些参数使其更适合于测量的部件，典型的光纤器件有光纤耦合器、滤波器、衰减器等，在一些简单的光纤传感器中有时没有光纤器件。

4）传感元件是根据被测信号来调制光纤传输光参数的部件，它有时候是光纤本身，如拉曼散射式光纤温度传感器。

5）探测器是用来对光信号进行检测的器件，一般包括光电二极管、光电三极管、光电池、光电雪崩二极管、光电倍增管等。

6）信号处理单元接收光电探测器输出的电信号，将其还原为被测信号，
并为传感系统的后续控制电路提供接口。

表1目前比较成熟的光纤传感器
2、光纤传感器的分类及工艺
光纤传感器具有多种分类方式。

根据光纤在传感器中的作用，一般将光纤传感器分为三类：功能型传感器，即FF型光纤传感器，非功能型传感器，又称NF 型光纤传感器。

FF型传感器是直接将光纤当做敏感元件，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，所以又称为传感型光纤传感器；NF型传感器是将光纤当作传输光的介质，用以传输其他敏感元件所产生的光信号，也被称为传光型光纤传感器。

根据被调制的光波参数不同又可以分为：强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、偏振态调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器和波长调制型光纤传感器等。

根据调制方式可以分为以下四种：反射式调制、透射式调制、迅逝场耦合式和物理效应调制。

常用的光纤传感器的结构主要有：光纤光栅传感器（布拉格光栅和长周期光栅）、干涉型光纤传感器和谐振式光纤传感器，或者是几种结构组合而成的复合型光纤传感器。

干涉型光纤传感器包括光纤马赫-泽德干涉仪传感器、光纤法布里-珀罗干涉仪传感器、光纤塞格纳克干涉仪传感器和光纤迈克耳逊干涉仪传感
器等。

光纤光栅传感器又分为布拉格光栅传感器和长周期光纤光栅传感器；谐振式传感器按照不同谐振元件分为光纤锥与微盘耦合、光纤锥谐振环、光纤锥与球耦合、光纤锥与微环耦合以及光纤谐振腔等光纤传感器。

本论文的重点研究光纤马赫泽德干涉仪传感器和光纤布拉格光栅传感器，并研究了光纤光栅为基础的应用系统方案。

3、光纤传感器的工程应用
3.1、在石油工程中的应用
1）随钻测量中的应用，地下定向钻进中，光纤传感器探头在空间的任一姿态也可用相对于地理坐标系的一系列旋转来表示，只不过旋转的角度被定义为方位角、倾角和面向角。

起始时地理坐标系于探头坐标系重合（N与X轴、E与Y 轴、D与Z轴相对应），随后载体绕Z轴旋转y角，绕Y轴旋转q角，绕X轴旋转j角，就得到探头当前的姿态。

2）井下温度监控，光纤传感器能够将石油井内的温度进行很好的监测，石油井中温度的细微变化都能被光纤传感器进行准确的记录。

用光纤传感器来进行温度的监测是对石油开采工作十分重要的环节，只有将井内的温度变化及时向外界进行通知，才能使石油开采工作人员对石油井内的温度进行实时的监控与管理，以确保温度的不能对石油的开采造成不必要的影响。

3）井下压强监控，光纤传感器对石油井内的压强监控也是十分有效的，可以将井内任意时刻的压强变化信息进行传导。

光纤传感器以光为信息的传播媒介，将井内的压强变化信息进行及时准确的传导。

3.2、在土木工程中的应用
1）在桥梁结构安全监控中的应用。

由于光纤传感器具有耐久性好，适于长期监测；无火花，适于特殊监测领域；既可以实现点测量，也可以实现准分布式测量；测量动态范围只受光源谱宽的限制，不存在多值函数问题；检出量是波长信息，因此不受接头损失、光沿程损失等因素的影响；同时对环境干扰不敏感，抗电磁干扰；波长编码，可以方便实现绝对测量；正是这些突出优点，光纤传感器受到土木工程领域的广泛关注与青睐。

利用光纤传感技术对桥梁实现安全监测主要是实现对桥梁的重要结构的应变及应力、环境的温度、桥梁重要部位的位移、裂缝状况实施实时在线监测，以用于对桥梁的工作状况做出诊断和评估，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。

2）在深基坑工程中的应用，现阶段基
坑监测所用的传感器主要采用振弦式传感器，输出的是一个频率值，采用金属线缆传输数据，数据在远距离传输过程中损耗较大。

光纤传感器则具有灵敏度高、数据传输损耗小、抗电磁干扰、防水、抗腐蚀和耐久性等优点。

特别是分布式光纤传感器，体积小、重量轻，便于铺设安装，将其植入监测对象中不存在匹配的问题，对监测对象的性能和力学参数等影响较小。

最显著的优点就是突破了传统点式传感的概念，可以测出光纤沿线任一点上的应变、温度和损伤等信息，实现对被测对象的连续分布式监测，能够捕捉到被测对象的整体应变性状，实现对监测对象的远程分布式监测。

3.3、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。

采用光纤光栅在线监测技术，能很好实现对发电/变电站内的油浸变压器、干式变压器、开关柜、电抗器、高压电缆接头、高压母线接头、刀闸、高压电缆缆线等电力设备综合式/分离式的温度监测，既能满足点式精确测量，也能满足长距离分布测量的要求。

整个温度传感网络由光纤组成，光纤传感器监测与光纤信号传输完全无电，其优良的绝缘性能，不引雷，即使受到雷击，该系统仍可正常工作。

3.4、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。

总言之，光纤传感就是利用外界坏境参数对光纤中光波参量进行调制，然后再对调制后的光信号进行解调获得外界变量的一种技术。

如今分布式光纤传感器技术已经广泛应用各个领域，有必要在以后工作中得到我们进一步研究应用。

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