光纤传感器技术简介摘要：光纤传感器技术经过二十多年的研发阶段，已经步入了实用阶段。

光纤传感器特有的优点以及广泛的种类使其具备了替代传统传感器的能力。

通过环境变量对光纤中传输光束强度、相位、偏振、光谱等光学特性的调制，使光纤传感器能够在远距离监控恶劣环境中系统的温度、应力、电流等不同的物理量。

光纤在这个过程中同时起到了信号传感和传输的作用。

光纤传感技术在工业，生物，工程，智能结构，人居生活等方面都有广阔的应用前景。

本文旨在为读者介绍光纤传感器技术和它的一些应用领域。

关键词： 光纤传感器; 调制型光纤传感器; 分布式传感器; 传感器的应用An Introduction to Fiber Optic Sensor TechnologyLiu WjAbstract: The technology of fiber optic sensor has entered the stage of practical application after the past decades’ development. Fiber optic sensors, with their unique advantages and a wide range of types, have the ability to displace traditional sensors. Fiber optic sensor technology offers the possibility of sensing different parameters like strain, temperature, pressure in harsh environment and remote locations. These kinds of sensors modulate some features of the light wave in an optical fiber such an intensity and phase or use optical fiber as a medium for transmitting the measurement information. This paper is an introduction to fiber optic sensor technology and some of the applications that make this branch of optic technology, which is still in its early infancy, an interesting field.Key words: Fiber optic sensors; modulation based fiber optic sensors; distributed sensors; sensor applications0引言光电子学和光纤通信的进步带来了许多新的产业的革命，光纤不仅可以作为一种传输介质，同时也可以用来设计传感系统。

利用光纤作为传感元件，或者通过光纤来和传感元件联系的技术都包含在光纤传感器技术的范畴内，光纤传感器技术现在已经是光纤技术中的一个重要分支。

光纤质量轻、体积小、电绝缘、耐高温、多参量测量、抗电磁干扰能力强。

同时光纤具有传光特性，无需其他介质就能把待测量值与光纤内光特性变化联系起来，集信息传感和传输与一体，容易组成光纤传感网络。

这些都使它拥有了其它电子传感器件不具备的优势。

光纤传感技术发展大致可以分为三个主要阶段[1]：第一阶段，传输型光纤传感器。

20世纪70年代中后期，光纤作为一种信息交换的基础，通过光学器件把带测量和光纤内的导光联系起来。

第二阶段，单模光纤调制技术。

单模光纤的深入应用，形成了强度、相位、波长、偏振、时分、频率、光栅等光纤传感技术。

20世纪80年代中后期，光纤传感器近百种，光纤传感器开始投入实际使用。

第三阶段，20世纪90年代中后期，光纤传感技术逐步形成五个主要领域：智能结构，工业，生物医学，自然生态和人居环境。

光纤在工业和通信中的大量应用使得光纤材料的成本和性能在近年来进步非常快。

这使得光纤传感器在旋转、加速度、电磁场测量、温度、压力、声学、振动、位移和角度、应力、湿度、黏滞性、化学测量等诸多应用领域都具备了替代传统传感器的能力[2]。

本文将介绍光纤传感器的几种基本类型以及它们的具体应用，尽可能展现出光纤传感器技术的发展现状。

1光纤传感器的分类光纤传感器的应用范围和采用到的技术种类都非常多，而且随着技术革新，光纤传感器的应用面也在不断拓宽。

一般来说，大家还是按照习惯依据光纤传感器的测量量或者采用的技术来进行分类。

2002年在美国波特兰俄勒冈进行的第15届光纤传感器大会(OFS-15)上发表的给类文章按照这两种方式划分的结果显示在图1上[3]。

可以看到光栅传感器在应力、温度、压力和声学、电压电流方面的应用比较多一些；而在技术上，采用光纤光栅的几乎占了一半，另一些比如干涉仪传感技术，散射等采用的也很多。

本节将会对光纤的分类进行整体性的简介，在这过程中选择一具有代表性的例子进行详述。

图1[3]在OFS-15会议上发表的文章依据测量量（a）和技术（b）划分的分布图Fig. 1[3]Distribution of OFS-15 papers according to measurands(a) and technologies(b).光纤传感器可以分为本征和非本征（intrinsic and extrinsic）两大类。

本征的光纤传感器指光纤本身作为传感元件，它本身的物理性质把环境变量转化为对通过它内部的光的调制。

这些调制包括光强、偏振、相位、波长等。

事实上所有环境变量都可以转化成光学量的调制，一种环境变量可以通过很多光纤技术来测量，设计光纤传感器的难处在于要使它只对需要测量的环境变量敏感。

非本征光纤传感器中，光纤只是作为传输介质，连接传感元件（将信号转化成调制过的光信号）以及远处的接收器[4]。

1.1.1 强度调制型光纤传感器图2. 强度调制型光纤传感器系统基本结构Fig2. Basic structure of intensity based fiber optic sensor system 强度调制型光纤传感器属于非本征(extrinsic)的光纤传感器，光纤在其中作为传输光路。

传感系统的基本结构如图2所示，由控制单元、传输光路、和传感环境组成。

系统通过传感元件对入射光进行强度调制，通过比较入射光强和接受光强的变化，并且知道环境带测量和调制量的变化关系，就可以对待测量进行测量。

强度调制型光纤传感器进行强度调制可以有很多种方式，下面分条进行简述：透射：最简单的是利用光纤位移，固定入射光纤，移动接受光纤位置。

由于出射光光锥的强度空间分布不同，接受光纤输出的光强就会随着位置改变。

利用这种方式可以测量微小位移和振动。

同样的也可以固定两个传输光纤，用一个光闸来起到强度调制的作用。

光闸可以根据需要设计成不同的形式，比如采用光闸、光栅、光楔、微开关等。

此外还可以用码盘或者码尺作为光闸进行数字式强度调制。

反射：反射式传感器是最早的光纤传感器之一，如多纤、双纤和带Y 型耦合器的单纤。

光从光源耦合到光纤或传光束，射向被测物体，再从被测物体反射到另一个光纤或传光束，输出光强随物体距光纤探头端面的距离调制[1]。

模式损耗：模式损耗利用了光纤弯曲时光束的部分传导模转变成辐射模从而实现强度的调制。

图3[2]中展示的是微弯损耗的示意图，此外还有弯曲损耗和光耦合器损耗。

这种方式主要应用于测量应力，微小位移、双向位移等。

折射率：原理很简单，是利用被测参数能引起折射率较大变化的液体或固体材料取代光纤的部分包层，使包层和纤芯的相对折射率变化成为响应参数。

此外，还有倏逝波耦合型、等离子波型和反射系数型[1]。

接收光纤光传感器检测对象 光源 电子系统 光探测器 入射光纤控制单元 强度调制图3[2] 微弯损耗的光纤传感器示意图 Fig 3 Simple micro binding sensor利用外界因素改变光纤中光波的相位，通过检测相位变化可以测量外界待测参量。

由于光电传感器无法直接测量相位，可以采用干涉技术并采用相干光源，将相位变化转化为强度变化。

常用的光纤干涉仪有光纤迈克尔逊干涉仪、光纤Mach-Zehnder干涉仪、三光束光纤干涉仪、光纤Sagnac干涉仪、光纤Fabry-Perot干涉仪、光纤环形腔干涉仪、光纤微分干涉仪等[1][2][4][5][6]。

干涉型光纤传感器一般采用传统的单模光纤，由于外界应力等因素影响可能会使通过光纤的光束的两个不同偏振方向上折射率产生差异引起双折射现象，从而会使相干条纹移动，从而影响信号的信噪比[1][7]。

图4[2]给出了其中部分光纤干涉仪的示意图。

a b图4[2] a. Mech-Zehnder干涉仪b. Michelson干涉仪c. Fabry-Perot干涉仪Fig.4[2] a.Mech-Zehnder interferometer-based fiberoptic sensor b. Michelson interferometer-based fiberoptic sensor c. Fabry-Perot interferometer-based fiberoptic sensorc1.1.3偏振调制型光纤传感器光纤的折射系数受到应力等外界因素影响，会产生双折射现象，会对光束的偏振状态发生改变，这被称为弹光效应。

利用高双折射的光纤作为传感元件，可以测量外界应力等的影响。

除了弹光效应之外，利用旋光现象也可以改变光纤中光束的偏振状态。

熔融石英光纤是各项同性的。

在外加电场的情况下，会导致Kerr效应；在外加磁场的情况下回引起法拉第效应，这些都会导致光纤中的光束的偏正状态发生改变。

利用旋光效应可以利用光纤传感器测量电磁量，是光纤传感器的一个重要的应用方向。

偏振调制型光纤传感器一般利用线偏振光作为光源。

常见的光纤电流传感器就是利用了法拉第效应。

我们知道电流周围会产生磁场，利用电流周围产生的磁场可以使光纤内的光纤发生偏转。

熔融石英光纤的Verdet常数大约是0.065 min/Oe cm，很适合用来作为电流传感器。

图5[8]就是一个光纤电流传感器的示意图。

这里利用了线偏振的激光作为光源，经过传感部分以及镜面反射之后，测量出射光纤的偏振状态就可以推算出电流的大小了。

图5[8]反射式光纤电流传感器Fig5[8] Reflection-type fiber-optic current sensor.1.1.4光谱调制型光纤传感器光谱调制型光纤又包括波长调制、频率调制以及光栅调制三种类型。