光纤传感器
摘要：
本文就光纤传感器的性能，特点，种类及其应用作了简单描述。光纤传感器是传感器中的佼佼者。七十年代以来，光纤技术得到飞速的发展，利用环境对光的各种影响，已制成各种不同功能的光纤传感器,并在许多领域广泛应用。
关键字：
光纤传感器，分类，应用。
引言：
光纤传感器是七十年代中期发展起来的、最近几年走向实用化的一门新兴科学技术,它的问世和应用已成为传感器学科中举世瞩目的一件大事。最近十多年来光纤传感器的研究已在全世界展开。在日本，由于对构成光纤传感器关键技术的各种光纤、半导体激光器、横式塞曼激光器、半导体光检测器等的研究开发及实用化早，所以根据新的设想进行了许多开创性的研究。在产业界，由于光产业技术振兴协会的大型光学计划中提出的光应用测量主题，促进了实用光纤传感器开发。目前,世界上各工业发展国家均给予高度重视，这是因为光纤传感器具有体积小，重量轻、抗电磁干扰，绝缘性好、无电性、频带宽、灵敏度高、远距离传输及性能稳定、可靠等优点。此外，光纤传感器还具有光纤遥控技术的兼容性，易与微机相连等优点。因此，光纤传感器在国防军工、工业生产自动监控及工艺过程自动控制、在医疗器械及医学仪器、科学实验的高精度自动监控及其数据处理分析等各种领域内，均有重要的与潜在的应用价值，目前的电子传感器与其是无法媲美的。
主要内容：
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。
光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能型（传光型）传感器。
光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。
正文：
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。
光纤传感器主要有以下优点：
一，灵敏度较高；
二，几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；
三，可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；
四，可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；
五，而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。
光纤传感器主要有以下特点：
一，不受电磁干扰（EMI）/无线电频率干扰（RFI）、抗腐蚀；
二，适用于航天航空、兵器,电力,石油开发,航海,核工业,医疗,等领域；
三，微型和坚固结实的传感器；
四，体积小；
五，耐高温；
六，高精度；
七，本质安全；
八，按客户要求进行包装；
光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能型（传光型）传感器。
一，功能型传感器：
功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件, 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。
光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。
优点：结构紧凑、灵敏度高；
缺点：须用特殊光纤，成本高；
典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。
二、非功能型传感器：
非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化, 光纤仅作为
信息的传输介质，常采用单模光纤。
光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。
优点：无需特殊光纤及其他特殊技术。比较容易实现，成本低；
缺点：灵敏度较低。
实用化的大都是非功能型的光纤传感器。
光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。目前光纤传感器已经有70多种，大致上分成光纤自身传感器和利用光纤的传感器。
所谓光纤自身的传感器，就是光纤自身直接接收外界的被测量。外接的被测量物理量能够引起测量臂的长度、折射率、直径的变化，从而使得光
纤内传输的光在振幅、相位、频率、偏振等方面发生变化。测量臂传输的光与参考臂的参考光互相干涉（比较），使输出的光的相位(或振幅)发生变化，根据这个变化就可检测出被测量的变化。光纤中传输的相位受外界影响的灵敏度很高，利用干涉技术能够检测出10的负4次方弧度的微小相位变化所对应的物理量。利用光纤的绕性和低损耗，能够将很长的光纤盘成直径很小的光纤圈，以增加利用长度，获得更高的灵敏度。
光纤声传感器就是一种利用光纤自身的传感器。当光纤受到一点很微小的外力作用时，就会产生微弯曲，而其传光能力发生很大的变化。声音是一种机械波，它对光纤的作用就是使光纤受力并产生弯曲，通过弯曲就能够得到声音的强弱。光纤陀螺也是光纤自身传感器的一种，与激光陀螺相比，光纤陀螺灵敏度高，体积小，成本低，可以用于飞机、舰船、导弹等的高性能惯性导航系统。
光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。
下面是光纤传感器在检测技术上的应用。
一，空间技术方面
第一个光纤传感器就是一九七八年美国应用于2号导航技术卫星上的辐射剂量计，是辐射传感器。在航空、航海、航天等空．技术上还广泛应用光纤振动传感器、光纤加速度传感器、光纤惯性传感器以及光纤陀螺传感器等。光纤陀螺传感器二极管激光器是低相光源，它发出两束光进入一个较长的光纤环且向相反方向传播。如果环是移动的，则两束光间就产生相位差。输出光束的相位差经过3分贝的耦合器转换为振幅变化，光检测器又把振幅变化的信号转换为电信号。光纤陀螺传感器就是利用了测量出的相位差可以转换为环的角速度的原理。
二，医疗技术方面
由于光纤传感器体积小，可以和活组织共存，且不需要电线，又可以任意改变形状，所以在医疗和生物遗传工程方面都有广阔的应用前景。医用内窥光纤传感器、血流光纤传感器、脉搏光纤传感器，生物膜光纤传感器和化学敏感传感器就是应用的实例。血流光纤传感器是流量光纤传感器的一种。它采用激光多普勒测速技术制成。激光器的光通过光纤射入流体介质，被散射后传回光纤末端，检测其多普勒偏移就可以测量出流体逑度直径为100微米的探测器已在医疗
上得到应用。
三，测试、计量技术方面
检测温度和压力是光纤传感器在测试、计量方面的基本应用。利用多模光纤和单模光纤都可以进行温度检测多模光纤半导体红外滤光器是由CdTe、GaAs 组成。这两种半导体具有吸收峰特性。吸收蜂波长与能级、间隔有密切关系，而后者又与温度有关。如果把它置于传输光纤与接收光纤之问，根据光的衰减量可测定出温度值。单模光纤温度传感若在马赫一陈德尔(Mach- Zehndef)干涉
仪光路中，给测量光纤加温，光程发生变化且干涉条纹将发生移动，我们可根据条纹的移动量求出相位的变化量，这样就可以测定出温度的变化。如果以H e—Ne激光器作光源，用石英作光纤时，相位变化量和温度t的关系为；a=107 Lt。式中：L一光纤长度(弧度)，t一温度(℃)Ja一相位变化量(弧度)。
利用法拉弟旋转元件的效应制成的磁场传感器。法拉弟旋转元件加上磁场时，透过的光就变成偏振光。设入射光的光强为Pt，透过偏光片后的光强为P t／2的偏振光。这种偏振光透过光学晶体后，将使线偏光的方位角改变，测出透过的偏振光的强度，即可测知磁场强度。这样的光纤磁场传感器可测出磁通密度大于0.0001特斯拉的大磁场。如果用具有磁致伸缩包层的双根纤维干涉测量传感器可测量磁通密度小于0．1毫特斯拉的磁场。这种磁传感器可测出地震前的弱磁场。如利用法布利～珀罗光纤传感器可测地震波的前波。另外，利用磁致伸缩被复光纤材料、热效应、法拉弟效应或强光调制方法还可测量电流。利用磁致伸缩的光纤电流传感器，传感器放在一个待测电流通过的线圈内，当电流流经线圈时产生的磁场将使镍管伸缩，从而导致光纤变形，引起光纤中激光的相移测出相移量也就相应地测出了电流量。
四，在国防和家用电器方面
光纤传感器可在坦克，火箭、导弹等新式武器上使用。同时在通信网络中可自如地传递保密信息。光纤传感器还可在电视机，录音机、音响中心、音频激光唱盘、电冰箱及致冷设备中应用。传感器是采集信息的关键元件之一。目前在世界范围内已形成传感器研究开发的新热潮。光纤传感技术是这个新热潮中影响深远的一种高技术手段。美国、It本、英国、法国以及苏联等技术发达国家都十分重视光纤传感器的发展。近几年来，我国光纤传感器也得到了迅速的发展。清华大学、武汉大学、中国科学院力学研究所等二十多个单位为在光纤传感器的应用开发方面赶超国际水平正在不断努力形形色色光纤传感器的应用将给传统的检测和自动化技术带来崭新的局面。
参考文献：
袁希光：《传感器技术手册》，国防工业出版社 1986年
黄贤武郑筱霞:《传感器原理与应用》，电子科技大学出版社 1995年。
王化祥张淑英:《传感器原理及应用》，天津大学出版社 1999年。
栾桂冬:《传感器及其应用》，西安电子科技大学出版社 2002年。
高晓蓉:《传感器技术》，西南交通大学出版社 2003年。