文献综述报告
光纤传感器综述
姓 名：姬应科 学 院：理学院 专 业：光学工程 年 级：2015级 学 号：S315110082 指导教师：刘双强
2017 年 9月 24日
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光纤传感器综述
[摘要] 光纤传感器是一种有广泛应用前景的新型传感器。本文对光纤传感器的原理、特
点、分类和发展历程进行了详细综述，介绍了光纤温度传感器、光纤陀螺仪这两种典型光纤传感器的应用，指出了这类光纤传感器在应用过程中存在的问题，并提出光纤传感器今后的发展趋势, 为光纤传感器的深入研究提供了有益参考。
[关键词]：光纤传感器 原理 特点 发展历程 发展趋势
一、引言
传感器在当代科技领域及实际应用中占有十分重要的地位，各种类型的传感器早已广泛应用于各个学科领域。近年来，传感器朝着灵敏、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［1］，在全世界成了研究热门，已与光纤通信并驾齐驱。光纤传感器作为传感器家族的一名新成员，由于其优越的性能而备受青睐，其具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度高、测量带宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点，优良的性能使得光纤传感器具有广泛的应用前景。本文从光纤传感器的基本原理及特点、光纤传感器的发展历程、光纤传感器的分类及应用原理、光纤传感器的应用及存在问题以及光纤传感器的发展趋势五大方面对光纤传感器进行介绍。
二、光纤传感器的基本原理及特点
光纤( Optical Fiber) 是光导纤维的简称，光纤的主要成份为二氧化硅，由折射较高的纤芯、折射率较低的包层及保护层组成。纤芯为直径大约0.1 mm 左右的细玻璃丝，把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。光纤传感器的发现起源于探测光纤外部扰动的实践，在实践中，人们发现当光纤受到外界环境的变化时，会引起光纤内部传输光波参数的变化，而这些变化与外界因素成一定规律，由此发展出光纤传感技术。
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2.1基本原理
图 1 是光纤传感器的原理结构图。光纤传感器通常由光源、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成。众所周知，描述光波特征的参量很多，如光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等，这些参量在光纤传输中都可能会受外界影响而发生改变，特别如温度、压力、振动、弯曲以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时，都会使这些参量发生相应变化。光纤传感器就是利用这些参量随外界因素变化的关系来检测各相应物理量的大小[2]。
图1 光纤传感器原理结构
2.2 特点
与传统的传感器不同，光纤优良的物理化学、机械以及传输性能，使光纤传感器具有一系列独特的优点。
(1)灵敏度高：由于光是一种波长极短的电磁波，通过光的相位便得到其光学长度。以光纤干涉仪为例，由于所使用的光纤直径很小，受到微小的机械外力的作用或温度变化时其光学长度要发生变化，从而引起较大的相位变化。假设用10米的光纤，l℃的变化引起1000ard的相位变化，若能够检测出的最小相位变化为0.01ard，那么所能测出的最小温度变化为l0℃，可见其灵敏度之高。
(2)抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全：由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，同时安全可靠，因此光纤传感器可以方便有效地用于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆的恶劣环境中。
(3)测量速度快：光的传播速度快且能传送二维信息，因此可用于高速测量。当信号的分析具有极高的检测速率要求时，应用电子学的方法往往难以实现，此时利用光衍射现象的高速频谱分析便可解决问题。
(4)信息容量大：被测信号以光波为载体，而光的频率极高，所容纳的频带很宽，且同一根光纤可以传输多路信号。
(5)适用于恶劣环境：光纤是一种电介质，耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰，可用于其它
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传感器无法适应的恶劣环境中。
此外，光纤传感器还具有质量轻、体积小、可绕曲、测量对象广泛、复用性好、成本低等特点。
三、光纤传感器的发展历程
1989年美国布朗大学的Mendez等人[3]首先提出了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测的可能性之后，美国，加拿大，英国，德国，日本，瑞士等国纷纷将光纤传感技术应用于桥梁等建筑物的安全监测；加拿大的Beddington Trail大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一，16个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上，对桥梁结构进行长期监测[4]；近年来以加拿大渥太华大学和瑞士联邦工学院为代表的分布式布里渊光纤传感技术(BOTDA/BOTDR)成为研究的热点[5-6],已广泛应用于石油管道市政工程电力电线等安全在线监测。
90年代初我国开始了光纤传感技术的应用研究，清华大学，同济大学，重庆大学，哈尔滨工业大学，武汉理工大学等院校已对光纤光栅传感器应用于桥梁检测进行了大量研究，并进行了一些工程应用，取得了较好的效果，而且武汉理工大学在光纤光栅解调仪的研发上取得了很大成功[7-9]，其主要技术参数达到国际同类产品的水平；2003年6月同济大学主持的卢浦大桥健康检测项目中，采用了光纤光栅传感器用于检测大桥在各种情况下的应力应变和温度变化情况，该项成果还在东海大桥结构健康监测系统设计中得到了体现[10]；南京大学主要对布里渊光时域反射(BOTDR)技术的工程应用进行了大量的研究工作[11]，并在玄武湖隧道监测项目中取得了较好的效果；中国计量学院主要研发喇曼光时域反射ROTDR技术，目前产品已经在国内多家单位应用，其主要性能指标达到国际先进水平。
四、光纤传感器的分类及应用原理 4.1 分类
光纤传感器是利用光在光纤中传播特性的变化来检测它所受到的环境变化，通过被测物理量的变化来调制波导中的光波，使光纤中的光波参量随被测物理量的变化而改变，从而求得被测信号的大小。
根据调制区与光纤的关系，可将调制分为三大类。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，又称传感型光纤传感器，利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”
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和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光强、相位、偏振态等光学特性的变化来实现“传”和“感”的功能。此外，传感器中光纤是连续的，由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。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，又称为传光型光纤传感器，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的“感觉”功能是依靠其它功能元件来完成的。此类传感器中的光纤是不连续的，其间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元件。调制器可能是光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。光纤在传感器中仅起传光作用。传光型光纤传感器主要利用已有的其他敏感材料，作为其敏感元件，这样可以利用现有的优质敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度。传光型光纤传感器占据了光纤传感器的绝大多数。另一类为拾光型光纤传感器，该类传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。
光纤传感器按被测对象，又可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等。
光纤传感器所用光纤有单模光纤和多模光纤。单模光纤的芯径通常为5-10μm，很细的纤芯半径接近于光源波长的长度，仅能维持一种模式的传输，一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤；光强度调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤为了获得适宜的灵敏度，可将普通光纤增敏或者去敏，为了满足特殊需求还专门研制了保偏光纤、低双折射光纤、高双折射光纤等。
光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。下面介绍这几种光纤传感器的应用原理及其基本特点。
4.2 应用原理
4.2.1光强调制型[12]
这是一种利用被测量的变化引起光纤中的光强发生变化的光纤传感器。能够引起光纤中光强发生变化的因素有: 改变光纤的微弯状态, 改变光纤对光波的吸收特性, 改变光纤包层的折射率。下面分别讨论利用以上三个因素制成的光强调制型光纤传感器的应用原理。
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