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 Technology
Liu Wj
Abstract: 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 applications
0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 fiber
optic sensor b. Michelson interferometer-based fiber
optic sensor c. Fabry-Perot interferometer-based fiber
optic sensor
c
1.1.3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。与波长相关的物理现象可以调制入射光的光谱，通过光谱分析比色法等方法可以确定光谱的能量分布。影响波长的因素有黑体辐射、荧光光谱、磷光光谱、光声光谱、化学发光、吸收光谱[1]。这一类光纤传感器可以用于温度测量，化学特性测量等方面。需要注意的是传感器探测效率受到光谱强度分布以及光电传感器响应特性的限制，比如利用黑体辐射效应制作的温度传感器在低于200摄氏度的时候由于辐射强度下降信噪比变差，测量的精度就会下降了[2]。
光谱频率调制主要指光学多普勒效应，当光源和探测器与被测物体发生相对运动时对接收光的频率产生影响。在光纤多普勒系统中，采用单色偏振光源，经过分束器入射至多模光纤，光纤另一端插入流体以探测流体速度。入射光经过流体散射后被光纤收集经由光纤返回再经过分束器被探测器接受。通过探测光信号的多普勒频移就可以知道待测物体运动速度。
光栅调制型光纤传感器(FBG)是应用最多的光纤传感器之一，其中应用最广也是结构最简单的就是光纤Bragg光栅传感器，其结构示意图如图6[3]所示。光纤Bragg光栅折射率呈周期分布，波矢方向和光纤轴线方向一致，FBG的Bragg波长与光栅周期Λ和反向耦合模有
图6[3]光纤Bragg光栅示意图
Fig.6[3] fiber Bragg grating
效折射率满足光栅方程λ#=2n '((Λ，外界环境因素诸如应力、电磁场（旋光现象）、温度等会使的光栅的有效折射率以及光栅周期发生改变，即Δλ#=2n '((ΔΛ+2Δn .//Λ。由于能够使FBG 的Bragg 波长发生改变的因素非常多，只要能够合理地对传感器进行设计，就可以利用FBG 对特定的物理量进行有效测量。
除了FBG 型的光栅调制光纤传感器，还有其他一些特殊设计的光纤光栅比如长周期光纤光栅、倾斜光纤光栅、采样光纤光栅等[3]，都具有各自的独特性。光纤光栅还可以用来做光纤干涉传感器，一般是利用光纤光栅构成传感阵列做成干涉仪。
1.2 多元(multiplexing)光纤传感器和分布式（distributed ）光纤传感器
在实际应用中有时需要多元的传感系统，最直接的办法就是制作一个包含多个分立传感器的传感网络或者阵列。最常用的有时间多元分布(TDM)、波长多元分布(WDM)和空间多元分布(SDM)。
TDM 式传感器中，采用脉冲光源，通过时序分布的信号来分辨网络中各个传感器返回的数值。图7[2]是WDM 式和SDM 式多元光纤传感器的示意图。在WDM 光纤传感器中，每一个分立传感部分对应不同波长的光，探测器利用分光器接收整个光谱的信号，一次就可以得到各个传感器返回的数据。这是在能量以及效率上最高的一种方式。图7（b ）是由四个传感器组成的多元系统，光源发出两种不同频率的光，传输到四个不同位置的传感器上再经过光耦合器，分别将两种不同频段的传感器输出信号耦合在一起由两个信号接收器来接收。通过对信号在频谱上做傅里叶变化就可以分辨出各个传感器的数据信号。
图7[2] a.波长分布多元传感系统(WDM) b.空间分布多元传感系统(SDM)
Fig.7[2] a. wavelength distributed multiplexing(WDM) b. spatial distributed multiplexing(SDM)
分布式光纤传感器朱旭一个光源和一根探测线路，可对眼光纤传输路径的传感对象进行探测。分布式光纤传感器集信息传输与传感功能与一体，在整个一长段光纤上都是对环境量敏感的。一个分布式光纤传感器可以取代许许多多分立的传感器起到的功能。现在最常用的是1976年，Barnoski 等发明的光时域反射计（Optical Time Domain Reflectometer, OTDR ）
[1]。光在光纤传输过程中眼光纤各点产生散射，散射光沿入射光相反的方向回到光纤的注入端，该背向散射光包含光在光纤传输中损耗的信息。此外，分布式光纤传感器还有利用拉曼散射、FBG 、偏振态等作为测量信号的技术类型。
2 光纤传感器的应用
光纤传感器的应用十分广泛，因为它独特的物理光学性质使光纤传感器几乎可以用来 a b
测量所有能够想到的物理量。下面选取一些具体案例来进行介绍。
2.1.1光学层析成像[1][6][9]
光层析成像技术主要有光相干层析成像（Optical Coherence Tomography, OCT），光过程层析成像（Optical Process Tomography, OPT）光弥散层析成像（Diffuse Optical Tomography, DOT）等。其中OCT采用低相干干涉技术（白光干涉或宽光谱干涉）和共焦显微镜原理，对生物样品内部组织细微结构成像的分辨能力达到微米量级，探测深度也达到毫米量级。OCT技术可以使临床上实现对人体组织非接触且无损伤的诊断和动态监测。DOT利用生物组织被近红外光远阵列发出的光照射，经过镜面反射，多次散射和吸收后被光探测器阵列接收。OCT和DOT技术在生物和临床医学方面都有广阔应用前景。OPT的特点是光通过介质时光强度的变化与光路上不同介质的分布及介质的衰减有关。当被测介质在各个方向或位置有足够多的投影数据时，可以利用一定的重建算法将被测信息用图像的形势变现出来。OPT面向工业-工程油井、管线等场所，高精度地解决流体过程测量问题。光纤体积小，安全性高，不受电磁干扰以及能够进行组成分布式测量网络的优点在这里就体现出来了。
2.1.2光纤传感器在工程领域中的应用
随着光纤传感器技术的发展，在土木工程领域光纤传感器得到了广泛的应用。利用分布式光纤传感器，可以测量混凝土结构变形及内部应力，检测大型结构、桥梁健康状况等，其中最主要的都是将光纤传感器作为一种新型的应变传感器使用。
光纤传感器可以黏贴在结构物表面用于测量，同时也可以通过预埋实现结构物内部物理量的测量。利用预先埋入的光纤传感器，可以对混凝土结构内部损伤过程中内部应变的测量，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。同时分布式光纤温度传感器也可以应用在建筑上。
2.1.3其他
光纤传感器在能源领域也有很多应用。它可以做成电流传感器，检测传输电缆的负载。利用多元FBG分布式光栅，可以远距离的检测在恶劣环境下的电缆的情况。光纤传感器因为其不受电磁干扰，耐腐蚀，可以组成长距离监控网络等优点，在核电，风能发电等领域也有广泛应用。
此外光纤传感器在航天器也有很多应用。它可以用来检测飞机及航天器的温度，检测机身和机翼各部位压力，作为陀螺仪等。光纤传感器还可以用在石油工业，它可以用来探测底下石油的流量，温度，流速等物理量。较成熟的应用是采用非本征光纤F—P腔传感器测量井下的压力和温度。
光纤还可以用来制作智能材料。20世纪70年代，美国弗吉尼亚理工学院暨州立大学的Claus等将光纤买入炭纤维增强符合材料，使材料具有感知应力和断裂损伤的能力，即自适应材料[10]。智能结构具有某种形式的自诊断功能，光纤传感器具有良好传光特性，无需其他媒介就可以把被测量与光纤内光特效联系起来，已经成为智能结构中常用的信息传输与传感载体。
3小结
自从光纤发明以来，光电子技术和光纤技术在不断地飞速发展。经历了二十多年的研发阶段，光纤传感技术已经进入了实用化阶段，形成了光纤传感器的一个新领域。不少光纤传感器以其特有的有点，逐渐替代传统的电子传感器。利用光纤传感器技术制造的系统可以把传统电子仪表系统改造成更为安全可靠的光纤式仪表系统。
此外，随着光子晶体、纳米材料等领域的发展，新的原理不断应用到光纤传感器技术中，光纤传感器技术和这些新技术互相推动着各自的发展。光纤传感器具有很多优点，如何把实验室中开发出的新型传感器投入到实际应用中，提高稳定性并，降低光纤传感器的使用成本仍然是新时代光纤传感技术的重要课题。
致谢
感谢金革老师以及所有《物理电子学导论》课的授课老师
[参考文献] (References)
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[9]廖延彪.黎敏光纤传感器的今日与发展[会议论文] 2003
[10]Claus R O,Mckeenman J C,Mary R G,et al. 1988.Optical fiber sensors and signal processing for smart materials and structures. ARO smart materials, structures and mathematical issues workshop proceeding:15~16