[科普中国]-光纤传感系统

光纤传感系统始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，光纤传感系统是衡量一个国家信息化程度的重要标志。从杭州物联网暨传感系统应用论坛了解到，光纤传感系统已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源 环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感系统上百种，诸如温度、压力、流量、 位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁 场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。

光纤传感技术光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；在一定条件下，光纤特别容易接受被测量或场的加载，是一种优良的敏感元件；光纤本身不带电，体积小，质量轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，几乎在各个领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。

光纤传感，包含对外界信号（被测量）的感知和传输两种功能。所谓感知（或敏感），是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度（功率）、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即“感知”外界信号的变化。这种“感知”实质上是外界信号对光纤中传播的光波实时调制。所谓传输，是指光纤将受到外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理，也就是解调。因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术，即外界信号（被测量）如何调制光纤中的光波参量的调制技术（或加载技术）及如何从被调制的光波中提取外界信号（被测量）的解调技术（或检测技术）。

外界信号对传感光纤中光波参量进行调制的部位称为调制区。根据调制区与光纤的关系，可将调制分为两大类。一类为功能型调制，调制区位于光纤内，外界信号通过直接改变光纤的某些传输特征参量对光波实施调制。这类光纤传感器称为功能型（FunctionalFiber，简称FF型）或本征型光纤传感器，也成为内调制型传感器，光纤同具“传”和“感”两种功能。于光源耦合的发射光纤同于光探测器耦合的接收光纤为一根连续光纤，称为传感光纤，故功能型光纤传感器亦称全光纤型或传感型光纤传感器。另一类为非功能型调制，调制区在光纤之外，外界信号通过外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制，这类光纤传感器称为非功能型（NonFunctionalFiber，简称NFF）或非本征型光纤传感器，发射光纤与接收光纤仅起传输光波的作用，称为传光光纤，不具有连续性，故非功能型光纤传感器也称传光型光纤传感器或外调制光纤传感器。

根据被外界信号调制的光波的物理特征参量的变化情况，可将光波的调制分为光强度调制、光频率调制、光波长调制、光相位调制和偏振调制等五种类型。

由于现有的任何一种光探测器都只能响应光的强度，而不能直接响应光的频率、波长、相位、和偏振调制信号都要通过某种转换技术转换成强度信号，才能为光探测器接收，实现检测。1

光纤传感技术应用分类光强度调制型光强调制是光纤传感技术中相对比较简单，用得最广泛的一种调制方法。其基本原理是利用外界信号（被测量）的扰动改变光纤中光（宽谱光或特定波长的光）的强度（即调制），再通过测量输出光强的变化（解调）实现对外界信号的测量。

相位调制型光相位调制，是指外界信号（被测量）按照一定的规律使光纤中传播的光波相位发生响应的变化，光相位的变化量即反映被测外界量。

光纤传感技术中使用的光相位调制大体有三种类型。一类为功能型调制，外界信号通过光纤的力应变效应、热应变效应、弹光效应及热光效应使传感光纤的几何尺寸和折射率等参数发生变化，从而导致光纤中的光相位变化，以实现对光相位的调制。第二类为萨格奈克效应调制，外界信号（旋转）不改变光纤本身的参数，而是通过旋转惯性场中的环形光纤，使其中相向传播的两光束产生相应的光程差，以实现对光相位的调制。第三类为非功能型调制，即在传感光纤之外通过改变进入光纤的光波程差实现对光纤中光相位的调制。

偏振调制型偏振调制，是指外界信号（被测量）通过一定的方式使光纤中光波的偏振面发生规律性偏转（旋光）或产生双折射，从而导致光的偏振特性变化，通过检测光偏振态的变化即可测出外界被测量。

波长调制型外界信号（被测量）通过选频、滤波等方式改变光纤中传输光的波长，测量波长变化即可检测到被测量，这类调制方式称为光波长调制。

目前用于光波长调制的方法主要是光学选频和滤波。传统的光波长调制方法主要有F-P干涉式滤光、里奥特偏振双折射滤光及各种位移式光谱选择等外调制技术。近20多年来，尤其近几年迅速发展起来的光纤光栅滤光技术为功能型光波长调制技术开辟了新的前景。

频率调制型光频率调制，是指外界信号（被测量）对光纤中传输的光波频率进行调制，频率偏移即反映被测量。目前使用较多的调制方法为多普勒法，即外界信号通过多普勒效应对接收光纤中的光波频率实施调制，是一种非功能型调制。1

存在问题光纤干涉型传感器由于灵敏度高、体积小等优点，受到很大关注。但是干涉型传感器对被测物理量的变化敏感的同时也对温度漂移、环境振动等干扰也同样敏感。目前用于光相位解调的干涉方法很多，主要有双光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法、环形干涉法等。1

传感器的分类按光纤在光纤传感器中的作用可分为传感型和传光型两种类型。

传感型光纤传感器的光纤不仅起传递光作用，同时又是光电敏感元件。由于外界环境对光纤自身的影响，待测量的物理量通过光纤作用于传感器上，使光波导的属性(光强、相位、偏振态、波长等)被调制。传感器型光纤传感器又分为光强调制型、相位调制型、振态调制型和波长调制型等。

传光型光纤传感器是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后,通过在输出端进行光信号处理而进行测量的，这类传感器带有另外的感光元件对待测物理量敏感，光纤仅作为传光元件，必须附加能够对光纤所传递的光进行调制的敏感元件才能组成传感元件。光纤传感器根据其测量范围还可分为点式光纤传感器、积分式光纤传感器、分布式光纤传感器三种。其中，分布式光纤传感器被用来检测大型结构的应变分布，可以快速无损测量结构的位移、内部或表面应力等重要参数。目前用于土木工程中的光纤传感器类型主要有Math-Zender干涉型光纤传感器，Fabry-pero腔式光纤传感器，光纤布喇格光栅传感器等。1

传感器的特点高灵敏度，抗电磁干扰。由于光纤传感器检测系统很难受到外界场的干扰，且光信号在传输中不会与电磁波发生作用，也不受任何电噪声的影响，由于这一特征，光纤传感器在电力系统的检测中得到了广泛应用。

光纤具有很好的柔性和韧性，所以传感器可以根据现场检测需要做成不同的形状。

测量的频带宽、动态响应范围大。

可移植性强，可以制成不同的物理量的传感器，包括声场、磁场、压力、温度、加速度、位移、液位、流量、电流、辐射等。

可嵌入性强，便于与计算机和光纤系统相连，易于实现系统的遥测和控制。2

应用光纤传感技术在结构工程检测中的应用钢筋混凝土是目前非常广泛应用的材料，将光纤材料直接埋入混凝土结构内或粘贴在表面，是光纤的主要应用形式，可以检测热应力和固化、挠度、弯曲以及应力和应变等。混凝土在凝固时由于水化作用会在内部产生一个温度梯度，如果其冷却过程不均匀。热应力会使结构产生裂缝，采用光纤传感器埋入混凝土可以监测其内部温度变化，从而控制冷却速度。
混凝土构件的长期挠度和弯曲是人们感兴趣的一个力学问题，为此已研制出能测量结构弯曲和挠度的微弯应变光纤传感器，并用一根光纤连接整个结构不同位置上的传感器进行同时监测，每个传感器的位置可用OTDR来识别。光纤传感器还能探测混凝土结构内部损伤。在正常荷载作用下，由于钢筋阻止干化收缩或温度引起的体积变化都会引起裂缝，裂缝的出现和发展可以通过埋入的光纤中光传播的强度变化而测得。

光纤传感技术在桥梁检测中的应用桥梁是一个国家的经济命脉，桥梁的建造和维护是一个国家基础设施建设的重要部分。利用光纤传感器测量振动，主要可得到桥梁的振动响应参数如频率、振幅等，其方法是：将信号光纤粘贴于桥梁内部，它随着桥梁的振动而产生振动响应， 输出光的相位作周期性的变化，则光电探测器接收到的光强也作周期性的变化。
成功的案例有：加拿大在1993年将光纤传感器预装到一座碳纤维预应力混凝土公路桥上，在桥开通后连续监测了8个月，测量了混凝土内部的整体分布应变，并用动态规化理论处理数据，准确而又快速的评估了桥梁的使用状态及寿命。1996年，美国海军实验研究中心研制了新墨西哥州I -10桥健康检测系统，它由60个FBG传感器组成，可实现动态与静态应变测量。

光纤传感技术在岩土力学与工程中的应用岩土工程检测具有长时效性、环境复杂、具有时空限制、施工环境制约等特点，其检测工作一直是等待解决的难题。目前已有的常规的测试技术在长期的工程应用中表明，满足上述测试要求十分困难。而由于光纤传感器体积小、质量轻、不导电、反应快、抗腐蚀等诸多优良特性，使用它成为岩土力学工程的检测工具成为学者们的研究对象。

三峡大坝坝体内部靠近上游面埋设有点式温度计，因埋设点位于坝体内，所测温度与实际库水温度存在一定的差异。为了能更真实地反映库水温度的变化规律，长江科学院结合坝前水温观测的实际现状，在左厂14-2坝段布设1条测温垂线，采取光纤Bargg光栅温度传感器进行监测，通过实际工程应用，光纤Bargg光栅温度传感器测量水温，可以满足水温监测的要求，且与水银温度计直接测量水温相比，结果较好。

光纤传感技术在军事上的应用光纤传感技术在军事上同样应用广泛。光纤陀螺仪经过30多年的发展，已经广泛应用与民航机，无人机，导弹的定位和控制中。光纤水听器可以用于船舶军舰收集声音，探测越来越先进的潜艇。且近几年来，基于光纤传感技术的光纤网络安全警戒系统开始在边防及重点区域防卫中得到推广应用。目前，世界上发达国家使用的安全防卫系统就是基于分布式光纤传感网络系统的安全防卫技术。

石油和天然气：油藏监测井下的P / T传感、地震阵列、能源工业、发电厂、锅炉及蒸汽涡轮机、电力电缆、涡轮机运输、炼油厂；

航空航天：喷气发动机、火箭推进系统、机身；

民用基础建设：桥梁、大坝、道路、隧道、滑坡；

交通运输：铁路监控、运动中的重量、运输安全；

生物医学：医用温度压力、颅内压测量、微创手术、一次性探头。3

研究进展光纤光栅传感器

光纤光栅传感器是目前国内研究的热点之一。FBG传感器具有灵敏度高，易构成分布式结构，在一根光纤内可实现多点测量。满足“智能结构”对传感器的要求，可对大型构件进行实时安全监测；也可以代替其他类型结构的光纤传感器，用于化学、压力和加速度传感中。但是温度、应力交叉敏感是其实用化的最大限制。
目前，随着实用、廉价的波长解调技术进一步发展完善，光纤光栅传感技术已经向成熟阶段接近，部分也已经商用化。但在性能和功能方面需要提高。

阵列复用传感系统

列阵复用传感系统将单点光纤传感器阵列化，实现空间多点的同时或分时传感，也称为准分布式系统。目前，应用最为广泛的是光纤光栅阵列传感和基于干涉结构的阵列光纤传感系统。
阵列化光纤传感的优点是可以实现大范围、长距离多点传感，是大规模光纤传感的一个重要发展趋势。阵列化的发展方向也对各个传感元的灵敏度、稳定性、批量制作可重复性、解调的快捷准确等提出新的要求。

分布式光纤传感系统

分布式光纤传感系统是根据沿线光波分布参量，同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量的分布信息，可以实现长距离、大范围的连续、长期传感。34

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学