光纤传感器
引言
传感器是一种能够感受到被测量信息的检测装置，可以帮助我们实现对外界信息的探测与获取，它各个领域发挥着广泛的作用。随着科学技术和人类需求的不断发展，传感器在很多方面能够为人类生产和研究带来很大的便利，因此传感器的发展和应用备受关注，传感技术作为当今世界迅猛发展起来的技术之一, 已经成为衡量一个国家科学技术水平发展的重要标志。随着对技术要求的提高, 对方便实用目的的追求，传感器正朝着灵敏、精巧、适应性强、智能化和网络化方向发展。光纤传感技术是20 世纪70 年代末新兴的一项技术,有不错的发展前景，光纤传感器具有很多优异的性能，例如: 抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能;绝缘、无感应的电气性能; 耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方(如高温区)，或者对人有害的地区(如核辐射区)，起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纤传感器正是由于其优越的性能而备受青睐,在全世界成为了研究热门。以下将从几个方面对光纤传感器做一个概述。
一.光纤传光的原理
光纤是用晶体、玻璃或塑料等拉制成的透明纤维丝，主要用途是依据全反射原理传输光能量和光信号。根据全反射原理，在纤芯与包层界面处的入射角i1大于临界角ic时发生全反射，光信号不会发生泄漏，由于全反射临界角ic的限制，光纤对自其端面外侧射入的光束相应的存在着一个最大入射孔径角。如果自端面外侧以i0角射入的光线进入光纤后，其到达纤芯与包层分界面处时的入射角刚好等于临界角ic，那么只要自端面外侧射入光线的入射角小于i0，光线就不会透射出界面，而全部被反射，光在纤芯和包层的界面上反复逐次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端射出，这就是光纤的传光原理。
二.光纤传感器的基本原理
光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。基本原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，由于光调制器提前设置过技术参数，于是待测参数与进入调制区的光相互作用，导致光的强度、波长、频率、相位、偏正态等发生变化，得到被调制成的信号光，这些信号光再经过光纤送入光探测器，被光探测器解调后就可以获得其技术参数，通过传递和处理这些技术参数就完成了光纤传感的过程。
三.光纤传感器的分类
光纤传感器的按照测量原理的不同可分为以下两种：
（1）物性型光纤传感器。物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界参数(温度、压力、振动等)引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压等。
（2）结构型光纤传感器。结构型光纤传感器是由光检测元件(敏感元件)与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。
光线传感器还有很多种分类方法，根据光受被测对象的调制形式可以分为强度调制型、
偏振态制型、相位制型、频率制型；根据光是否发生干涉可分为干涉型和非干涉型；根据是否能够随距离的增加连续地监测被测量可分为分布式和点分式等。光纤传感器发展到现在，种类繁多，应用也相当广泛。
四.光纤传感器优点
（1）高灵敏度：光线传感器的灵敏度高于一般的传感器，已经被熟知的如测量水声、加速度、辐射、磁场等物理量的光纤传感器，测量各种生物量的光纤生物传感器和测量各种气体浓度的光纤化学传感器等。
（2）电绝缘性和化学稳定性且抗电磁干扰:光纤本身是一种化学性能稳定的高绝缘物质, 且可抗电磁干扰，加之敏感元件可以做成电绝缘和电无源元件。因此光纤传感器不仅化学稳定性好, 抗干扰能力强而且电绝缘性能也高, 特别适用于电力工业和化学工业中需要高压隔离和易燃易爆的恶劣环境，在地质探矿、石油勘探、地震波检测、军事制导等领域也有着极为重要的应用。
（3）由于光纤在几何形状上有很好可塑性，可以制成多种形状的光纤传感器，便于得到广泛的应用。
（4）便于复用，便于成网，有利于和现有光通信设备组成遥测网和光纤传感网络。
五.光纤传感器的应用
1.在石油领域中的应用
在石油领域中需要测量的量很多，其中主要有地表输油管道的流量测量以及地下油井的测量。光纤流量传感器以其独特的优点，比其它流量传感器有明显优势，在石油工业中发挥极其重要的作用；而在石油测井技术中，可以利用光纤传感器实现井下石油流量、温度、压力和含水率等物理量的测量，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。非本征光纤F-P腔传感器利用光的多光束干涉原理，当被测的温度或者压力发生变化时干涉条纹改变，光纤F—P腔的腔长也随之发生变化，通过计算腔长的变化实现温度和压力的测量。
2.在土木工程领域的应用
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，用来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。通过混凝土实验表明，光纤测试的载荷－应变曲线比应变片测试的线性度高。
3.在医学中的应用
在医疗中观测人体内部器官的形态特征等具有重要意义，而要实现对人体内部的观测，医用传感器是不可或缺的仪器，可以说它对医学的临床治疗起到了重要的作用。特别是用光纤传感器制作而成的人体内窥镜，在观察体内器官、传递形态学检查图像和实施体内微创手术中起到重要作用。目前，医用光纤传感器的研究与应用正受到广泛重视，种类也日趋繁多，功能和质量也不断完善，从而越来越显示出光纤传感技术在医学应用的广泛前景。
4.在电力系统上的应用
电力系统网路分布广而且结构复杂，且有一定的危险性，在这种场合测试温度、电流等参数还需要考虑电磁干扰等因素，而光纤传感器可以避开电磁干扰从而很好地测量各种待检参量，并且还能实现对电力系统的分布式监测，因此在电类系统得到广泛应用。
总而言之，光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难
题，具有很大的市场需求。光纤传感器在实践中运用到的例子举不胜举，这些技术都是多学科的综合，涵盖的知识面广，在各个领域发挥了极大的作用，随着科技的不断进步，越来越多的光纤传感器将面世，它将被应用到生产生活的方方面面。
六.光纤传感器的技术发展方向
光纤传感器经过20余年的发展也已获得长足的进步，出现了很多实用性的产品，光纤传感器作为一种优势明显的新型传感器，已进入实际化阶段，逐步形成传感领域的一个新的分支，不但在高、精、尖领域得到应用，而且在传统的工业领域被迅速推广，其本身产品不断推层出新，显示出强大的生命力，新的传感原理更是不断出现，促进了科学技术的发展， 然而实际的需要是各种各样的，光纤传感技术的现状仍然远远不能满足实际需要。目前，光纤传感器技术发展的主要方向是如下：（1）传感器的多用途实用化研究，即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量，要能够对多种物理量进行同时测量；（2）阵列化，网络化，易于构成分布式检测系统从而大幅度提高检测效率，节约检测成本，节省时间人力物力，利用无线传输与网络进行远距离监测也可为特殊环境下的实时检测提供极大方便；（3）实现高性能化，提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度，降低其成本，设计复杂的传感器网络工程，兼顾分布式传感器的参数，即压力、温度，特别是化学参数( 碳氢化合物、一些污染物、湿度、pH值等)对光纤的影响；（4）提高广泛实用度，在恶劣条件下(高温、高压、化学腐蚀)低成本传感器(支架、连接、安装)的开发和应用；（5）新传感机理的研究，开拓新型光纤传感器等。
总之要通过对光线传感器更加深入的研究最终实现产业化，使它有更为广泛的应用和更大作用。
七.结语
在现代信息社会中，传感器技术迅猛发展，光纤传感器作为一种新兴技术产物，可以用来测量多种物理量，包括工业、军事、医疗、通讯、过程控制等众多方面的物理量的测量，尤其体现在完成现有测量技术难以完成的测量任务上。由于光纤可观的形态可塑性，在狭小的空间里或者对形状有特殊要求的地方，光纤传感器显示出了独特的能力；而在强电磁干扰的地方光线传感器更是表现出了较大的优越性。光纤传感器凭借着其大量的优点已经成为众多类型传感器中应用极其广泛的一类，在生产生活的各个领域发挥着不可替代的作用，而随着光纤传感器技术体系的逐步成熟完善，它将被应用到生产生活的更多方面, 展现出更大的应用活力，发挥着越来越大的作用。
光纤传感器
引言
传感器是一种能够感受到被测量信息的检测装置，可以帮助我们实现对外界信息的探测与获取，它各个领域发挥着广泛的作用。随着科学技术和人类需求的不断发展，传感器在很多方面能够为人类生产和研究带来很大的便利，因此传感器的发展和应用备受关注，传感技术作为当今世界迅猛发展起来的技术之一, 已经成为衡量一个国家科学技术水平发展的重要标志。随着对技术要求的提高, 对方便实用目的的追求，传感器正朝着灵敏、精巧、适应性强、智能化和网络化方向发展。光纤传感技术是20 世纪70 年代末新兴的一项技术,有不错的发展前景，光纤传感器具有很多优异的性能，例如: 抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能;绝缘、无感应的电气性能; 耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方(如高温区)，或者对人有害的地区(如核辐射区)，起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纤传感器正是由于其优越的性能而备受青睐,在全世界成为了研究热门。以下将从几个方面对光纤传感器做一个概述。
一.光纤传光的原理
光纤是用晶体、玻璃或塑料等拉制成的透明纤维丝，主要用途是依据全反射原理传输光能量和光信号。根据全反射原理，在纤芯与包层界面处的入射角i1大于临界角ic时发生全反射，光信号不会发生泄漏，由于全反射临界角ic的限制，光纤对自其端面外侧射入的光束相应的存在着一个最大入射孔径角。如果自端面外侧以i0角射入的光线进入光纤后，其到达纤芯与包层分界面处时的入射角刚好等于临界角ic，那么只要自端面外侧射入光线的入射角小于i0，光线就不会透射出界面，而全部被反射，光在纤芯和包层的界面上反复逐次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端射出，这就是光纤的传光原理。
二.光纤传感器的基本原理
光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。基本原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，由于光调制器提前设置过技术参数，于是待测参数与进入调制区的光相互作用，导致光的强度、波长、频率、相位、偏正态等发生变化，得到被调制成的信号光，这些信号光再经过光纤送入光探测器，被光探测器解调后就可以获得其技术参数，通过传递和处理这些技术参数就完成了光纤传感的过程。
三.光纤传感器的分类
光纤传感器的按照测量原理的不同可分为以下两种：
（1）物性型光纤传感器。物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界参数(温度、压力、振动等)引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压等。
（2）结构型光纤传感器。结构型光纤传感器是由光检测元件(敏感元件)与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。
光线传感器还有很多种分类方法，根据光受被测对象的调制形式可以分为强度调制型、
偏振态制型、相位制型、频率制型；根据光是否发生干涉可分为干涉型和非干涉型；根据是否能够随距离的增加连续地监测被测量可分为分布式和点分式等。光纤传感器发展到现在，种类繁多，应用也相当广泛。
四.光纤传感器优点
（1）高灵敏度：光线传感器的灵敏度高于一般的传感器，已经被熟知的如测量水声、加速度、辐射、磁场等物理量的光纤传感器，测量各种生物量的光纤生物传感器和测量各种气体浓度的光纤化学传感器等。
（2）电绝缘性和化学稳定性且抗电磁干扰:光纤本身是一种化学性能稳定的高绝缘物质, 且可抗电磁干扰，加之敏感元件可以做成电绝缘和电无源元件。因此光纤传感器不仅化学稳定性好, 抗干扰能力强而且电绝缘性能也高, 特别适用于电力工业和化学工业中需要高压隔离和易燃易爆的恶劣环境，在地质探矿、石油勘探、地震波检测、军事制导等领域也有着极为重要的应用。
（3）由于光纤在几何形状上有很好可塑性，可以制成多种形状的光纤传感器，便于得到广泛的应用。
（4）便于复用，便于成网，有利于和现有光通信设备组成遥测网和光纤传感网络。
五.光纤传感器的应用
1.在石油领域中的应用
在石油领域中需要测量的量很多，其中主要有地表输油管道的流量测量以及地下油井的测量。光纤流量传感器以其独特的优点，比其它流量传感器有明显优势，在石油工业中发挥极其重要的作用；而在石油测井技术中，可以利用光纤传感器实现井下石油流量、温度、压力和含水率等物理量的测量，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。非本征光纤F-P腔传感器利用光的多光束干涉原理，当被测的温度或者压力发生变化时干涉条纹改变，光纤F—P腔的腔长也随之发生变化，通过计算腔长的变化实现温度和压力的测量。
2.在土木工程领域的应用
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，用来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。通过混凝土实验表明，光纤测试的载荷－应变曲线比应变片测试的线性度高。
3.在医学中的应用
在医疗中观测人体内部器官的形态特征等具有重要意义，而要实现对人体内部的观测，医用传感器是不可或缺的仪器，可以说它对医学的临床治疗起到了重要的作用。特别是用光纤传感器制作而成的人体内窥镜，在观察体内器官、传递形态学检查图像和实施体内微创手术中起到重要作用。目前，医用光纤传感器的研究与应用正受到广泛重视，种类也日趋繁多，功能和质量也不断完善，从而越来越显示出光纤传感技术在医学应用的广泛前景。
4.在电力系统上的应用
电力系统网路分布广而且结构复杂，且有一定的危险性，在这种场合测试温度、电流等参数还需要考虑电磁干扰等因素，而光纤传感器可以避开电磁干扰从而很好地测量各种待检参量，并且还能实现对电力系统的分布式监测，因此在电类系统得到广泛应用。
总而言之，光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难
题，具有很大的市场需求。光纤传感器在实践中运用到的例子举不胜举，这些技术都是多学科的综合，涵盖的知识面广，在各个领域发挥了极大的作用，随着科技的不断进步，越来越多的光纤传感器将面世，它将被应用到生产生活的方方面面。
六.光纤传感器的技术发展方向
光纤传感器经过20余年的发展也已获得长足的进步，出现了很多实用性的产品，光纤传感器作为一种优势明显的新型传感器，已进入实际化阶段，逐步形成传感领域的一个新的分支，不但在高、精、尖领域得到应用，而且在传统的工业领域被迅速推广，其本身产品不断推层出新，显示出强大的生命力，新的传感原理更是不断出现，促进了科学技术的发展， 然而实际的需要是各种各样的，光纤传感技术的现状仍然远远不能满足实际需要。目前，光纤传感器技术发展的主要方向是如下：（1）传感器的多用途实用化研究，即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量，要能够对多种物理量进行同时测量；（2）阵列化，网络化，易于构成分布式检测系统从而大幅度提高检测效率，节约检测成本，节省时间人力物力，利用无线传输与网络进行远距离监测也可为特殊环境下的实时检测提供极大方便；（3）实现高性能化，提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度，降低其成本，设计复杂的传感器网络工程，兼顾分布式传感器的参数，即压力、温度，特别是化学参数( 碳氢化合物、一些污染物、湿度、pH值等)对光纤的影响；（4）提高广泛实用度，在恶劣条件下(高温、高压、化学腐蚀)低成本传感器(支架、连接、安装)的开发和应用；（5）新传感机理的研究，开拓新型光纤传感器等。
总之要通过对光线传感器更加深入的研究最终实现产业化，使它有更为广泛的应用和更大作用。
七.结语
在现代信息社会中，传感器技术迅猛发展，光纤传感器作为一种新兴技术产物，可以用来测量多种物理量，包括工业、军事、医疗、通讯、过程控制等众多方面的物理量的测量，尤其体现在完成现有测量技术难以完成的测量任务上。由于光纤可观的形态可塑性，在狭小的空间里或者对形状有特殊要求的地方，光纤传感器显示出了独特的能力；而在强电磁干扰的地方光线传感器更是表现出了较大的优越性。光纤传感器凭借着其大量的优点已经成为众多类型传感器中应用极其广泛的一类，在生产生活的各个领域发挥着不可替代的作用，而随着光纤传感器技术体系的逐步成熟完善，它将被应用到生产生活的更多方面, 展现出更大的应用活力，发挥着越来越大的作用。