光纖傳感器原理與應用

1 引言
　　　傳感器技術、通信技術、計算機技術是現代信息技術的三大支柱，傳感器作為探測與獲取外界信息的重要環節之一而被應用于工業、農業及軍事等各個領域。

　　　近20多年來，光纖傳感器的發展則大有取代傳統傳感器的趨勢。光纖傳感器是光通信和集成光學技術發展的結晶，與以往的傳感器不同，它將被測信號的狀態以光學的形式取出[1]。光信號不僅能被人所直接感知，利用半導體二極管等小型簡單元件還可以進行光電、光學轉換，極易與一些電子裝備相匹配。此外，光纖不僅是一種敏感元件，還是一種優良的低損耗傳輸線，因此，光纖傳感器還可以用于傳統的傳感器所不適用的遠距離測量。

　　　自從20世紀70年代末光纖傳感器誕生以來，便由于其具有的防火、防爆、精度高、損耗低、體積小、重量輕、壽命長、性價比高、復用性好、響應速度快、抗電磁干擾、頻帶范圍寬、動態范圍大、易與光纖傳輸系統組成遙測網絡等優點而被廣泛地應用于各行各業。隨著對其研究的不斷深入，光纖傳感器勢必會對科學研究、國民生產、日常生活等諸多領域產生深遠影響。

2 光纖傳感器基本構成及原理

　　　光纖傳感器由光源、入射光纖、出射光纖、光調制器、光探測器以及解調制器組成。其基本原理是將光源的光經入射光纖送人調制區，光在調制區內與外界被測參數相互作用，使光的光學性質(如強度、波長、頻率、相位、偏正態等)發生變化而成為被調制的信號光，再經出射光纖送入光探測器、解調器而獲得被測參數。

　　　光纖傳感器按傳感原理可分為兩類：一類是傳光型(非功能型)傳感器[2]，另一類是傳感型(功能型)傳感器[3]。在傳光型光纖傳感器中，光纖僅作為光的傳輸媒質，對被測信號的感覺是靠其它敏感元件來完成的，這種傳感器中出射光纖和入射光纖是不連續的，兩者之間的調制器是光譜變化的敏感元件或其它性質的敏感元件。在傳感型光纖傳感器中光纖兼有對被測信號的敏感及光信號的傳輸作用，將信號的“感”和“傳” 合而為一，因此這類傳感器中光纖是連續的。

　　　由于這兩種傳感器中光纖所起的作用不同，對光纖的要求也不同。在傳光型傳感器中光纖只起傳光的作用，采用通信光纖甚至普通的多模光纖就能滿足要求，而敏感元件可以很靈活地選用優質的材料來實現，因此這類傳感器的靈敏度可以做得很高，但需要較多的光耦合器件，結構較復雜；傳感型光纖傳感器的結構相對來說比較簡單，可少用一些耦合器件，但對光纖的要求較高，往往需采用對被測信號敏感、傳輸特性又好的特殊光纖。到目前為止，實際中大多數采用前者，但隨著光纖制造工藝的改進，傳感型光纖傳感器也必將得到廣泛的應用。

　　　按光在光纖中被調制的原理不同，光纖傳感器可分為：強度調制型、相位調制型、偏振態調制型、頻率調制型、波長調制型等。迄令為止，光纖傳感器能夠測定的物理量已達七十多種。

3 光纖傳感器特點

　　　與傳統的傳感器相比，光纖傳感器具有獨特的優點：

　　　(1) 靈敏度高

　　　由于光是一種波長極短的電磁波，通過光的相位便得到其光學長度。以光纖干涉儀為例，由于所使用的光纖直徑很小，受到微小的機械外力的作用或溫度變化時其光學長度要發生變化，從而引起較大的相位變化。假設用1 0米的光纖，l℃的變化引起1000ard的相位變化，若能夠檢測出的最小相位變化為0.01ard，那么所能測出的最小溫度變化為l 0℃ ，可見其靈敏度之高。

　　　(2) 抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質安全

　　　由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖又是電絕緣、耐腐蝕的傳輸媒質，并且安全可靠，這使它可以方便有效地用于各種大型機電、石油化工、礦井等強電磁干擾和易燃易爆等惡劣環境中。

　　　(3) 測量速度快

　　　光的傳播速度最快且能傳送二維信息，因此可用于高速測量。對雷達等信號的分析要求具有極高的檢測速率，應用電子學的方法難以實現，利用光的衍射現象的高速頻譜分析便可解決。

　　　(4) 信息容量大

　　　被測信號以光波為載體，而光的頻率極高，所容納的頻帶很寬，同一根光纖可以傳輸多路信號。

　　　(5)適用于惡劣環境

　　　光纖是一種電介質，耐高壓、耐腐蝕、抗電磁干擾，可用于其它傳感器所不適應的惡劣環境中。此外，光纖傳感器還具有質量輕、體積小、可繞曲、測量對象廣泛、復用性好、成本低等特點。

4 光纖傳感器的應用

　　　正是由于光纖傳感器擁有如此之多的優點，使得其應用領域非常廣泛，涉及石油化工、電力、醫學、土木工程等諸多領域。

4.1 光纖傳感器在石油化工系統的應用

　　　在石油化工系統中， 由于井下環境具有高溫、高壓、化學腐蝕以及電磁干擾強等特點，使得常規傳感器難以在井下很好地發揮作用。然而光纖本身不帶電，體小質輕，易彎曲，抗電磁干擾、抗輻射性能好。特別適合于易燃易爆、空間受嚴格限制及強電磁干擾等惡劣環境下使用，因此光纖傳感器在油井參數測量中發揮著不可替代的作用，它將成為可應用于油氣勘探及石油測井等領域的一項具有廣闊市場前景的新技術。

4.1.1 光纖傳感器在油氣勘探[4]中的應用

　　　光纖傳感器由于其抗高溫能力、多通絡、分布式的感應能力，以及只需要較小的空間即可滿足其使用條件的特點，使得在勘探鉆井方面尤其獨特的優勢。

　　　應用光纖傳感器可以制成井下分光計，分布式溫度傳感器及光纖壓力傳感器等適用于這種特殊作業要求的產品。

(1) 井下分光計

　　　流體分析儀如圖1所示，可用于了解初期開發過程中的原油組成成分。它由兩個傳感器合成：一個是吸收光譜分光纖，另一個是熒光和氣體探測器。井下流體通過地層探針被引入出油管，光學傳感器用于分析出油管內的流體。流體分析分光計則提供了原位井下流體分析，并對地層流體的評估加以改進。

(2) 分布式溫度傳感器

　　　光纖分布式溫度傳感器是井下應用最為流行的光纖傳感器。應用實例是監測注水蒸氣重油開采系統。蒸汽被注入重油層用以降低油的黏度，使稠油能夠開采出來。井下蒸汽溫度可高達250℃ 以上。
　　　
　　　
(3) 壓力傳感器

　　　側孔光纖式壓力傳感器目前正在研發中，其主要致力于超高溫和井下壓力監測任務。

　　　目前基于光纖傳感器已經出現其他商業產品，例如，用于多相流測量和分布式動態應變測量的光纖探針。其高可靠性和高效低耗的技術優勢是光纖產品在油田應用上取得成功的關鍵因素。

4.1.2 光纖傳感器在石油測井中的應用

　　　石油測井是石油工業最基本和最關鍵的環節之一，壓力、溫度、流量等參量是油氣井下的重要物理量，通過先進的技術手段對這些量進行長期的實時監測，及時獲取油氣井下信息，對石油工業具有極為重要的意義[5]。

　　　光纖傳感器對電磁干擾不敏感而且能承受極端條件，包括高溫、高壓以及強烈的沖擊與振動，可以高精度地測量井筒和井場環境參數，同時，光纖傳感器具有分布式測量能力．可以測量被測量的空間分布，給出剖面信息。而且，光纖傳感器橫截面積小，外形短，在井筒中占據空間極小[6]。而這些特性都是傳統的電子傳感器在井下的惡劣環境下所不具備的。

　　　利用光纖傳感器可以進行井下流量測量、溫度測量、壓力測量、含水(氣)測量、密度測量、聲波測量等。
(1) 流量測量

　　　由于光的強度、相位、頻率、波長等特性在光纖傳輸的過程中會受到流量的調制，利用一定的光檢測方法把調制量轉換成電信號，就可以求出流體的流量，這就是光纖流量計的工作原理[7]。

(2) 溫度及壓力測量

　　　分布式光纖測量系統(DTS)利用光纖后向拉曼散射的溫度效應，可以對光纖所在的溫度場進行實時監測，EFPI型(非本征型F-P干涉)、FBG型光纖傳感器為波長編碼型傳感器，具有靈敏度高、可同時測量壓力、溫度、應力等多個參量的特點[8]。

　　　光纖熱色溫度傳感器是由白光源、多模光纖組成的反射式溫度傳感器；光纖輻射式溫度傳感器利用黑體輻射能量，其非接觸，可測瞬問溫度，響應速度快，不需要熱平衡時間，可用于高溫測量；半導體吸收式光纖溫度傳感器利用其半導體材料的吸收邊波長隨著溫度的增加而向較長波長位移的特性，選擇適當的半導體發光二極管，使其光譜范圍正好落在吸收邊的區域，這樣透過半導體的光強就隨著溫度的增加而減少[9]。

(3) 含水(氣)率及密度測量

　　　U型光纖的傳輸功率隨外界介質折射率變化而變化，光波作為信息載體，與混合流體電阻率、流型及水質無關，基于該原理的光纖持率／密度傳感器從本質上解決了現有持率存在的高含水無分辨率和放射性物質的應用問題，對于多相流體油、水、氣的折射率各不相同，因而混合流體的折射率會隨著油、水、氣比例的改變而改變。因此這種折射率調制型光纖傳感器不僅能測流體持率，可同時測流體密度，其精度較高。

(4) 聲波測量

　　　地震波在不同的介質中傳播，接收到的地震波波形就會不同，根據不同的地震波形態，可識別地層沉積序列和沉積構造，為儲層定位、判斷竄槽、檢測套管破損及斷裂、射孔層位及確定流體流量等。VSP地震測井，就是把檢波器放人井中，通過地面擊發的地震波或利用井中流體流動等產生的微震動，由井中的檢波器接收地震信號。永久井下光纖三分量地震測量具有高的靈敏度和方向性，能產生高精度的空間圖像，不僅能提供近井眼圖像，而且能提供井眼周圍地層圖像，測量范圍能達數千公里。它能經受惡劣環境條件，且沒有可移動部件和井下電子器件，能經受強的沖擊和震動，可安裝在復雜的完井管柱極小的空間

4.2 光纖傳感器在電力系統的應用

　　　電力系統網絡結構復雜、分布面廣，在高壓電力線和電力通信網絡上存在著各種各樣的隱患，因此，對系統內各種線路、網絡進行分布式監測顯得尤為重要。

4.2.1 在高壓電纜溫度和應變測量中的應用

　　　目前，國外(主要是英國、日本等)已利用激光喇曼光譜效應研制出分布式光纖溫度傳感器產品。而國內也在積極地開展這方面的研究工作。國內把分布式光纖溫度傳感技術引入電力系統電纜測溫的研究工作只是剛剛開始。

　　　聯系到我國南方地區去年所遭受到的雪災來考慮，如果能在高壓電纜上并行地鋪設傳感光纜，對電力系統電纜、鐵塔等設施的溫度、壓力等參量進行實時測量，就能夠做到及時排險，從而盡可能減少經濟損失?？梢?，光纖傳感器在電力系統將具有廣泛的應用前景。

　　　在理想情況下，光纖應被置于盡可能靠近電纜纜芯的位置，以更精確地測量電纜的實際溫度。對于直埋動力電纜來說，表貼式光纖雖然不能準確地反映電纜負載的變化，但是對電纜埋設處土壤熱阻率的變化比較敏感，而且能夠減少光纖的安裝成本。

4.2.2 在電功率傳感器中的應用

　　　電功率是反映電力系統中能量轉換與傳輸的基本電量，電功率測量是電力計量的一項重要內容。隨著電力工業的迅速發展，傳統的電磁測量方法日益顯露出其固有的局限性，如電絕緣、電磁干擾、磁飽和等問題，因而人們一直在致力于尋找測量電功率的新方法?？梢哉f光纖傳感器的出現給人們解決這一問題帶來了福音。

　　　光纖電功率傳感器的主要特點是：由于電功率傳感同時涉及電壓、電流2個電量，因而通常需要同時考慮電光、磁光效應，同時利用2種傳感介質或1種多功能介質作為敏感元件，這使得光纖電功率傳感頭的結構相對復雜；光纖電功率傳感器的光傳感信號中有時同時包含電壓、電流信號，因此其信號檢測與處理方法也將比較復雜[10]。

4.2.3 在電力系統光纜監測中的應用

　　　電力系統光纜種類繁多，加之我國地域廣闊，各地環境差異很大，所以光纜的環境也很復雜，其中溫度和應力是影響光纜性能的主要環境因素。因此，在監測光纖斷點的同時也對光纜所處溫度和應力情況進行監測，可見對光纜的故障預警及維護意義深遠。
　　　通過測量沿光纖長度方向的布里淵散射光的頻移和強度，可得到光纖的溫度和應變信息，且傳感距離較遠，所以有深遠的工程研究價值。
　　　基于布里淵光時域反射(BOTDR)的分布式光纖傳感系統[11]，采用相干檢測技術，系統原理如圖2所示。
　　　
　　　

　　　BOTDR光纖傳感系統測量的是光纖的自發布里淵散射信號，其信號強度非常微弱，但可以采用相干檢測技術提高系統信噪比。這種方案可單光源、單端工作，系統簡單，實現方便，而且可同時監測光纖斷點、損耗、溫度和應變。

4.3 傳光光纖傳感器在醫學方面的應用

　　　在醫學中的應用醫用光纖傳感器目前主要是傳光型的。以其小巧、絕緣、不受射頻和微波干擾、測量精度高及與生物體親合性好等優點備受重視。本文將主要介紹傳光光纖在壓力測量、血流速度測量、pH值測量三個方面的應用。此外，它還可以應用于測量溫度和醫用圖像傳輸上面。

4.3.1 壓力測量

　　　目前臨床上應用的壓力傳感器主要用來測量血管內的血壓、顱內壓、心內壓、膀胱和尿道壓力等。用來測量血壓的壓力傳感器示意見圖3。其中對壓力敏感的部分是在探針導管末端側壁上的一塊防水薄膜，一面帶有懸臂的微型反射鏡與薄膜相連，反射鏡對面是一束光纖，用來傳遞入射光到反射鏡，同時也將反射光傳送出來。當薄膜上有壓力作用時。薄膜發生形變且能帶動懸臂使反射鏡角度發生改變，從光纖傳來的光束照射到反光鏡上，再反射到光纖的端點。由于反射光的方向隨反射鏡角度的變化而改變，因此光纖接收到的反射光的強度也隨之變化[12]。這一變化通過光纖傳到另一端的光電探測器變成電信號，這樣通過電壓的變化便可知探針處的壓力大小。
　　　
　　　

4.3.2 血流速度測量

　　　多普勒型光纖速度傳感器測量皮下組織血流速度的示意見圖4。此裝置利用了光纖的端面反射現象，測量系統結構簡單。
　　　
　　

　　　發光頻率為f的激光經透鏡，光纖被送到表皮組織。對于不動的組織，例如血管壁，所反射的光不產生頻移；而對于皮層毛細血管里流速為 的紅細胞，反射光要產生頻移，其頻率變化為△f；發生頻移的反射光強度與紅細胞的濃度成比例，頻率的變化值可與紅細胞的運動速度成正比。發射光經光纖收集后，先在光檢測器上進行混頻，然后進人信號處理儀，從而得到紅細胞的運動速度和濃度。

4.3.3 pH值測量

　　　用來測定活體組織和血液值pH光纖光譜傳感器示意圖，如圖5所示。其工作原理是利用發射光、透射光的強度隨波長的分布光譜來進行測量。這種傳感器將兩根光纖插入可透過離子的纖維素膜盒中．膜盒內裝有試劑，當把針頭插入組織或血管后，體液滲入試劑，導致試劑吸收某種波長的光．用光譜分析儀測出此種變化，即可求得血液或組織的pH值[13]。
　　　
　　　

4.4 光纖傳感器在土木工程中的應用

　　　在大型土木工程中如果發生事故，極易造成重大的經濟損失和人員傷亡，所以工程安全性成為工程設計者及科研人員極為關注和重視的問題。國內外研究和工程實踐表明：光纖光柵傳感器滿足了土木工程測量的高精度、遠距離、分布式和長期性的技術要求，為解決上述關鍵問題提供了良好的技術手段。
　　　本文將主要介紹光纖光柵傳感器在橋梁監測、邊坡監測及隧道監測三個方面的應用。
4.4.1 在橋梁監測中的應用

　　　目前，應用光纖光柵傳感器最多的領域之一當數橋梁結構的健康監測。

　　　瑞士溫特圖力的Storck’S橋不僅是世界上第一次使用CFRP拉索替代鋼索的斜拉橋，也是最早使用光纖光柵傳感器的橋梁之一。該橋長120m，橫跨18根鐵軌。該橋有2根長為35m的拉索用CFRP材料替代了鋼筋，每根CFRP拉索由7個FBG傳感器組成的傳感陣列進行監測，從而實現了對橋梁的長期監測，并且監測結果與同時使用的箔式電阻應變儀測得的結果十分吻合[]。

　　　目前，將光纖傳感器Bragg光柵在土木工程中的應用已成了推動我國光纖傳感器產業發展的重要動力。
4.4.2 邊坡監測中的應用

　　　邊坡是工程建設中最常見的工程形式之一。由邊坡失穩破壞產生的滑坡、滑動、沉陷、泥石流、巖崩等，這些在表面上看似斜坡巖體運動的不同表現形式，但隨時都可能帶來嚴重的破壞，甚至是災難。
　　　目前常用的高邊坡和庫區滑坡深部變形的傳統監測儀器是鉆孔傾斜儀。這種手段雖然有效，但屬點式監測。從全面收集建筑物的安危和實況重要信息這方面而言，尚有相當的局限性，會導致險情或重要先兆信息的漏檢。光纖傳感由于能實現空間立體監測和連續性監測，在大型土木工程的安全監測中已得到了越來越多的重視。

　　　武漢工業大學與湖北省巖崩滑坡研究所1995年合作研制了光纖位移計、光纖壓力計，其性能穩定、線形關系好，在牢固性、抗沖擊及振動、防潮、抗電磁干擾等方面優于傳統的電磁傳感器[15]。

　　　此外，光纖傳感技術還在高陡邊坡深部變形監測[16]、堆石壩混凝土面板隨機裂縫監測[17]、三峽庫區巫山縣滑坡地質災害預警示范站監測中獲得應用。

4.4.3 隧道監測中的應用

　　　隧道在本質上是圍巖和支護結構的綜合體，因此在對隧道的健康監測中，要綜合考慮圍巖與支護結構的變形以及相互作用，這是隧道結構健康監測的主要對象。對隧道的監測內容主要包括隧道圍巖變形，隧道周邊位移，圍巖壓力及兩層主要包括隧道圍巖變形，隧道周邊位移，圍巖壓力及兩層支護間壓力，支護和襯砌內應力、表面應力及裂縫測量，錨桿或錨索受力等[18]。

　　　廣州地鐵五號線小北站隧道的初期支護中應用了光纖布拉格光柵傳感技術(FBG)進行了監測。監測過程中使用了3種FBG傳感器，分別是混凝土應變傳感器、溫度傳感器和鋼筋應力計式傳感器。使用3種傳感器分別監測了初期支護混凝土的應變、內部溫度以及鋼拱架的主筋應力?，F場測試從2006年4月12日到期2006年7月5日共進行了18次測試，監測結果為工程的安全施工提供了科學依據。

5 結束語

　　　目前，光纖傳感器技術正朝著微型化、智能化低功耗、無線傳輸、便攜式方向發展。然而由于解調技術還不夠成熟，批量生產光纖傳感器的廠家還很少，并且我國在技術上和生產能力上同發達國家相比還有較大差距，因此我國的光纖傳感器行業任重而道遠，但前途光明，潛力巨大。

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