【光纤传感】
拼译：optic-fiber sensors
20世纪70年代初生产出低损光纤后，光纤开始在通信技术中用于长距离传输信息。但是它不仅可作为光波的传输媒质，且可用作传感元件来探测各种物理量。因光波在光纤中传播时，其特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)会随外界因素(如温度、压力、磁场、电 Sensors，OFS)的基本原理。
OFS可分成传感型与传光型两大类。利用外界物理因素改变光纤中光的特征参量，从而对外界因素进行计量和数据传输的，称为传感型(或功能型)OFS。它具有传感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中。而传光型OFS是指利用其它敏感元件测得的物理量，由光纤传输信息其特点是充分利用现有的传感器，便于推广应用。这两类OFS都可再分成强度调制、相位调制、偏振调制以及波长调制等几种形式。与传统的传感器相比，OFS的主要特点是：(1)抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、安全(因OFS利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，所以它在各种大型机电、石油化工、冶金等高压强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感)；(2)灵敏度高；(3)重量轻、体积小、外形可变(这有利于航空、航天以及狭窄空间的应用)；(4)对象广泛；(5)对被测介质影响小、便于复用；(6)便于成网(有利于与现有光通信技术组成遥测网)。1．传感型OFS。强度调制型OFS改变光纤中光强的方法有：改变光纤的微弯状态、改变光纤的耦合条件、改变光纤对光波的吸收特性、改变光纤中的折射率分布从而改变传输功率等。利用微弯效应的例子较多。光纤微弯传感器由于技术上比较简单，光纤和元器件易于制作，故可较快投入实用。研制这类传感器的关键在于确定变形器的最佳结构，这种传感器的最佳灵敏度已达600v／m，相当于原理可测最小位移为8×10－11m。这类传感器可用于压力、水声等量的测量。利用受抑全反射原理也可构成OFS：：光纤端面的角度磨成恰等于临界角，于是从纤芯输入的光将从端面全反射再按原路返回输出。当外界因素改变光纤端面外媒质的折射率时，其全反射条件被破坏，因而输出光强下降，由此可测出外界物理量的变化。此结构之优点是不需任何机械调整装置，因而增加了稳定性。现在已有用这种原理构成的光纤浓度传感器和光纤折射率计等。X射线、γ射线等辐射，会使光纤材料的吸收损耗增加，从而使光纤的输出功率下降，利用这种特性可构成光纤辐射传感器，由于可用较长的光纤，因此灵敏度很高。相位调制型OFS是利用外界因素使光纤中光波相位发生变化以探测各种物理量，其特点是：(1)灵敏度高；(2)灵活多样(其探头由光纤构成，几何形状可按使用要求设计成不同形式)；(3)对象广泛(任何物理量只要能对光纤中的光程产生影响，即可用于传感。目前利用各种类型的光纤干涉仪已研制成测量压力、水声、温度、加速度、电流、弱磁场、液体成份等多种物理量的OFS)；(4)需特殊光纤(研究表明，光纤的材料，尤其护套和外包层的材料对光纤干涉仪的灵敏度影响极大，为此需对光纤进行特殊处理，以满足测量不同物理量的要求。)。根据传统的光学干涉仪的原理，目前已研制成Mach-Zehnder光纤干涉仪、Sagnac光纤干涉仪、Fabry-Perot光纤干涉仪等，且均已用于光纤传感。其基本思想是：利用光纤传输代替光学干涉仪中在空气中传输的光路，再利用光纤的柔软性，可把干涉仪的光路置于待测区进行测量。一般的单模光纤对压力和温度的灵敏度分别为：Δ
／
ΔP=10－12rad／dyn／cm2，Δ
／ΦΔT=102rad／℃-m，Δ
是压力ΔP或温度ΔT在光纤中引起的相位差。利用单模光纤耦合器还可构成环形腔光纤干涉仪，目前这种环形腔的最高精细度已达1260。偏振调制型OFS是利用外界因素使光纤中光波偏振态发生变化以探测各种物理量。最典型的例子是高压输电线用光纤电流传感器。其原理是：利用光纤材料的法拉第效应，即处于磁场中的光纤会使在光纤中传播的偏振光发生偏振面旋转，其转角与磁场强度(或电流)成正比。此法的优点是：测量范围大、灵敏度高、与高压线无接触，使输出和输入端实现电绝缘。光纤偏振干涉仪是利用单根高双折射单模光纤中两正交偏振模式在外界因素影响下相移不同进行传感。实验结果表明：用应力双折射光纤进行温度传感时，其灵敏度达到约25rad／℃-m。此仪器装置简单，有较强的压力去敏作用。2．传光型OFS。这时光纤只是传光元件，不做敏感元件。它虽然失去了传感合一的优点，还增加了感到传之间的接口，但它可充分利用已有的敏感元件和光纤传输技术，光纤本身还具有电绝缘、防电磁干扰等优点。在二光纤之间加进不同的敏感元件，就可对不同类型的物理量进行传感，因而最容易实用化。可以很好地解决要求信号的传输不受强电磁干扰和／或传输线本身电绝缘的问题，可最大限度地利用现有敏感元件，迅速取得技术经济效益。例如：利用电光晶体可构成光纤电压计，其可测电压为10～104V(量程视电光材料而定)；若把电光材料换成磁光材料，则构成光纤磁场(电流)传感器；换成弹光材料则构成光纤压力和振动(声)传感器、光纤加速度计等。今后，光纤传感的发展趋势及研究课题主要有以下几方面：(1)商品化：欲使OFS在市场上有竞争力，应提高其抗干扰能力和长期稳定性，简化器件结构，降低成本。(2)网络化：利用OFS和光纤网系统构成的光纤传感网络系统，可用于多点和多参量的测量以及遥测系统，这是OFS发展的主要方向之一。例如：用于油罐群管理的光纤传感在线高精度检测系统；炼油厂测量温度、压力、流量、液面等诸参量的光纤传感在线监测系统；用于气体绝缘变电站(GIS)测量大电流、高电压、温度、压力、气体成份等的OFS在线检测系统；以及用于化工等行业的OFS系统。(3)集成化：全光纤化或光纤与光集成器件相结合是OFS的发展方向，是解决OFS稳定性的重要途径。为此目前各国正积极开展有关光纤激光器、光纤调制器件、光纤偏振器件、光纤分／合光器件、光纤复用器件以及光集成器件的研究。(4)特殊光纤：随着OFS的进一步发展，对传感用光纤的要求也愈来愈多样化，目前正在研制或已投入生产的特殊光纤有：保偏光纤、掺杂光纤、增敏光纤(对磁、力、紫外辐射等增敏)、去敏光纤(对温度、压力、辐射等去敏)，对光纤的被覆技术的研究也应重视。(5)光纤智能系统：光纤智能系统以及与此密切相关的分布式OFS的研究是光纤传感研究的热点之一，预期有广泛的应用前景。例如，光纤机敏材料(Optical Fiber Smart Materials)是OFS的一个新的研究领域，它是OFS与结构件的合成：在复合材料中埋入光纤，利用光纤的细径、柔软、质轻以及传感的特性，使这种埋入光纤的复合材料具有敏感性能，能感知材料本身的温度、压力、应力等参量的变化，并通过光纤把这些信息送入计算机。科学家希望利用埋入的OFS对采用这种合成材料制成的飞行器进行实时监控，以改善其飞行状态和避免灾害性事故发生。【参考文献】：1 Gialloraenzi T G，et al．IEEE J．Quantum Electron．，1982，18(4)∶6262 Borgh R A，Shaw H J．J．Lightwave Technology，1984，2∶913 廖延彪，范崇澄．中国激光，1984，11(9)∶5134 Udd E．Fiber Optics Sensors：An Introduction for Engineers and Scientists，lnc：．John Wiley，Sons．，1991(清华大学博士生导师廖延彪教授撰)