光纖傳感器的基本工作原理是將來(lái)自光源的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)源，在經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。

中文名

光纖傳感器

外文名

fibre optic sensor

直 徑

125 μm

壓力范圍

±300 mmHg

決 心

《0.4 mmHg

零熱效應(yīng)

0.4 mmHg / °C

運(yùn)行溫度

10 – 50°C

特 點(diǎn)

安裝簡(jiǎn)單，電路連接更簡(jiǎn)單容易

目錄

1 發(fā)展方向

2 原理

3 性能

4 特點(diǎn)

5 分類

？ 功能型

？ 非功能光纖型

？ 布拉格光柵

？ 傳光型光纖

6 應(yīng)用

7 案例

土木工程領(lǐng)域

石油工業(yè)

溫度測(cè)量

楊氏模量

8 環(huán)境分析

9 行業(yè)分析

10 組成結(jié)構(gòu)

11 發(fā)展前景

發(fā)展方向

編輯

傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過(guò)程中，光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：具有抗電磁和原子輻射干擾的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能；絕緣、無(wú)感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)），或者對(duì)人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還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。

特點(diǎn)

1、因反射體中使用了棱鏡，所以與通用的反射型光控傳感器器相比，其檢測(cè)性能更高、更可靠2 、與分離式光控傳感器相比，電路連接更簡(jiǎn)單容易。

3、 子母扣嵌入式的設(shè)計(jì)，安裝更為簡(jiǎn)單

用途

1、用于電話、網(wǎng)絡(luò)寬帶等數(shù)字型號(hào)傳輸。

2、用于自動(dòng)售貨機(jī)、金融終端有關(guān)的設(shè)備、點(diǎn)鈔機(jī)的紙幣、卡、硬幣、存折等的通過(guò)情況3、用于自動(dòng)化設(shè)備上產(chǎn)品定位、計(jì)數(shù)、識(shí)別。 ［1］

原理

編輯

光纖傳感器的基本工作原理是將來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號(hào)光，再利用被測(cè)量對(duì)光的傳輸特性施加的影響，完成測(cè)量。

光纖傳感器的測(cè)量原理有兩種。

（1）物性型光纖傳感器原理，物性型光纖傳感器是利用光纖對(duì)環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號(hào)。其工作原理基于光纖的光調(diào)制效應(yīng)，即光纖在外界環(huán)境因素，如溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等等改變時(shí)，其傳光特性，如相位與光強(qiáng)，會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。

因此，如果能測(cè)出通過(guò)光纖的光相位、光強(qiáng)變化，就可以知道被測(cè)物理量的變化。這類傳感器又被稱為敏感元件型或功能型光纖傳感器。激光器的點(diǎn)光源光束擴(kuò)散為平行波，經(jīng)分光器分為兩路，一為基準(zhǔn)光路，另一為測(cè)量光路。外界參數(shù)（溫度、壓力、振動(dòng)等）引起光纖長(zhǎng)度的變化和相位的光相位變化，從而產(chǎn)生不同數(shù)量的干涉條紋，對(duì)它的模向移動(dòng)進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可測(cè)量溫度或壓等。

（2）結(jié)構(gòu)型光纖傳感器原理，結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是由光檢測(cè)元件（敏感元件）與光纖傳輸回路及測(cè)量電路所組成的測(cè)量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。 ［1］

性能

編輯

光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：具有抗電磁和原子輻射干擾的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能；絕緣、無(wú)感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方，或者對(duì)人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還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。 ［1］

特點(diǎn)

編輯

一、靈敏度較高；

二、幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；三、可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件；四、可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境；五、而且具有與光纖遙測(cè)技術(shù)的內(nèi)在相容性。

光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)是與傳統(tǒng)的各類傳感器相比，光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)，具有光纖及光學(xué)測(cè)量的特點(diǎn)，有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。電絕緣性能好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，非侵入性，高靈敏度，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控，耐腐蝕，防爆，光路有可撓曲性，便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)接。

傳感器朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)或者對(duì)人有害的地區(qū)，如核輻射區(qū)），起到人的耳目作用，而且還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。 ［1］

分類

編輯

根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式可以分為：強(qiáng)度調(diào)制型、偏振態(tài)制型、相位制型、頻率制型；根據(jù)光是否發(fā)生干涉可分為：干涉型和非干涉型；

根據(jù)是否能夠隨距離的增加連續(xù)地監(jiān)測(cè)被測(cè)量可分為：分布式和點(diǎn)分式；根據(jù)光纖在傳感器中的作用可以分為：一類是功能型（Functional Fiber，縮寫為FF）傳感器，又稱為傳感型傳感器； 另一類是非功能型（Non Functional Fiber縮寫為NFF），又稱為傳光型傳感器。 ［2］

功能型

功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件， 被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制， 使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化， 再通過(guò)對(duì)被調(diào)制過(guò)的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)， 從而得出被測(cè)信號(hào)。

光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測(cè)量調(diào)制，多采用多模光纖。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。

缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高，

典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。 ［2］

非功能光纖型

非功能型光纖傳感器是利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變化， 光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)，常采用單模光纖。

光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測(cè)量調(diào)制。

優(yōu)點(diǎn)：光纖即可用于電氣隔離，有用于數(shù)據(jù)傳輸，且光纖傳輸?shù)男盘?hào)不受電磁干擾的影響。

實(shí)用化的大都是非功能型的光纖傳感器。AnyWay的變頻電壓傳感器、變頻電流傳感器、變頻功率傳感器（一種電壓、電流組合式傳感器）就屬于非功能型的光纖傳感器，在復(fù)雜電磁環(huán)境下的電量測(cè)量中，有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，可以用來(lái)測(cè)量多種物理量，比如聲場(chǎng)、電場(chǎng)、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)難以完成的測(cè)量任務(wù)。在狹小的空間里，在強(qiáng)電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨(dú)特的能力。光纖傳感器有70多種，大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。

所謂光纖自身的傳感器，就是光纖自身直接接收外界的被測(cè)量。外接的被測(cè)量物理量能夠引起測(cè)量臂的長(zhǎng)度、折射率、直徑的變化，從而使得光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庠谡穹⑾辔弧㈩l率、偏振等方面發(fā)生變化。測(cè)量臂傳輸?shù)墓馀c參考臂的參考光互相干涉（比較），使輸出的光的相位（或振幅）發(fā)生變化，根據(jù)這個(gè)變化就可檢測(cè)出被測(cè)量的變化。光纖中傳輸?shù)南辔皇芡饨缬绊懙撵`敏度很高，利用干涉技術(shù)能夠檢測(cè)出10的負(fù)4次方弧度的微小相位變化所對(duì)應(yīng)的物理量。利用光纖的繞性和低損耗，能夠?qū)⒑荛L(zhǎng)的光纖盤成直徑很小的光纖圈，以增加利用長(zhǎng)度，獲得更高的靈敏度。

光纖聲傳感器就是一種利用光纖自身的傳感器。當(dāng)光纖受到一點(diǎn)很微小的外力作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力發(fā)生很大的變化。聲音是一種機(jī)械波，它對(duì)光纖的作用就是使光纖受力并產(chǎn)生彎曲，通過(guò)彎曲就能夠得到聲音的強(qiáng)弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種，與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本低，可以用于飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈等的高性能慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。如圖就是光纖傳感器渦輪流量計(jì)的原理。 ［2］

布拉格光柵

光纖布拉格光柵傳感器的工作原理

光纖布拉格光柵傳感器（FBS）是一種使用頻率最高，范圍最廣的光纖傳感器，這種傳感器能根據(jù)環(huán)境溫度以及/或者應(yīng)變的變化來(lái)改變其反射的光波的波長(zhǎng)。光纖布拉格光柵是通過(guò)全息干涉法或者相位掩膜法來(lái)將一小段光敏感的光纖暴露在一個(gè)光強(qiáng)周期分布的光波下面。這樣光纖的光折射率就會(huì)根據(jù)其被照射的光波強(qiáng)度而永久改變。這種方法造成的光折射率的周期性變化就叫做光纖布拉格光柵。

當(dāng)一束廣譜的光束被傳播到光纖布拉格光柵的時(shí)候，光折射率被改變以后的每一小段光纖就只會(huì)反射一種特定波長(zhǎng)的光波，這個(gè)波長(zhǎng)稱為布拉格波長(zhǎng)，這種特性就使光纖布拉格光柵只反射一種特定波長(zhǎng)的光波，而其它波長(zhǎng)的光波都會(huì)被傳播。

按光纖在光纖傳感器中的作用可分為傳感型和傳光型兩種類型。

傳感型光纖傳感器的光纖不僅起傳遞光作用，同時(shí)又是光電敏感元件。由于外界環(huán)境對(duì)光纖自身的影響，待測(cè)量的物理量通過(guò)光纖作用于傳感器上，使光波導(dǎo)的屬性（光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等）被調(diào)制。傳感器型光纖傳感器又分為光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、振態(tài)調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型等。 ［2］

傳光型光纖

傳光型光纖傳感器是將經(jīng)過(guò)被測(cè)對(duì)象所調(diào)制的光信號(hào)輸入光纖后，通過(guò)在輸出端進(jìn)行光信號(hào)處理而進(jìn)行測(cè)量的，這類傳感器帶有另外的感光元件對(duì)待測(cè)物理量敏感，光纖僅作為傳光元件，必須附加能夠?qū)饫w所傳遞的光進(jìn)行調(diào)制的敏感元件才能組成傳感元件。光纖傳感器根據(jù)其測(cè)量范圍還可分為點(diǎn)式光纖傳感器、積分式光纖傳感器、分布式光纖傳感器三種。其中，分布式光纖傳感器被用來(lái)檢測(cè)大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布，可以快速無(wú)損測(cè)量結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)部或表面應(yīng)力等重要參數(shù)。用于土木工程中的光纖傳感器類型主要有Math-Zender干涉型光纖傳感器，F(xiàn)abry-pero腔式光纖傳感器，光纖布喇格光柵傳感器等。

光纖傳感器的輕巧性、耐用性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，使其能夠方便的應(yīng)用于建筑鋼結(jié)構(gòu)和混凝土等各種建筑材料的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)的建筑結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)。

光纖傳感器的另外一個(gè)大類是利用光纖的傳感器。其結(jié)構(gòu)大致如下：傳感器位于光纖端部，光纖只是光的傳輸線，將被測(cè)量的物理量變換成為光的振幅，相位或者振幅的變化。在這種傳感器系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的傳感器和光纖相結(jié)合。光纖的導(dǎo)入使得實(shí)現(xiàn)探針化的遙測(cè)提供了可能性。這種光纖傳輸?shù)膫鞲衅鬟m用范圍廣，使用簡(jiǎn)便，但是精度比第一類傳感器稍低。

光纖在傳感器家族中是后起之秀，它憑借著光纖的優(yōu)異性能而得到廣泛的應(yīng)用，是在生產(chǎn)實(shí)踐中值得注意的一種傳感器。

光纖傳感器憑借著其大量的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為傳感器家族的后起之秀，并且在各種不同的測(cè)量中發(fā)揮著自己獨(dú)到的作用，成為傳感器家族中不可缺少的一員。 ［2］

應(yīng)用

編輯

絕緣于污穢、磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流，光纖傳感器可用于位移、震動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、壓力、彎曲、應(yīng)變、速度、加速度、電流、磁場(chǎng)、電壓、濕度、溫度、聲場(chǎng)、流量、濃度、PH值和應(yīng)變等物理量的測(cè)量。光纖傳感器的應(yīng)用范圍很廣，幾乎涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防上所有重要領(lǐng)域和人們的日常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環(huán)境中使用，解決了許多行業(yè)多年來(lái)一直存在的技術(shù)難題，具有很大的市場(chǎng)需求。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面的應(yīng)用：

城市建設(shè)中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應(yīng)用。光纖傳感器可預(yù)埋在混凝土、碳纖維增強(qiáng)塑料及各種復(fù)合材料中，用于測(cè)試應(yīng)力松弛、施工應(yīng)力和動(dòng)荷載應(yīng)力，從而評(píng)估橋梁短期施工階段和長(zhǎng)期營(yíng)運(yùn)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)性能。

在電力系統(tǒng)，需要測(cè)定溫度、電流等參數(shù)，如對(duì)高壓變壓器和大型電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)的溫度檢測(cè)等，由于電類傳感器易受電磁場(chǎng)的干擾，無(wú)法在這類場(chǎng)合中使用，只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的高新技術(shù)，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)不僅具有普遍光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，還具有對(duì)光纖沿線各點(diǎn)的溫度的分布傳感能力，利用這種特點(diǎn)我們可以連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量光纖沿線幾公里內(nèi)各點(diǎn)溫度，定位精度可達(dá)米的量級(jí)，測(cè)量精度可達(dá)1度的水平，非常適用大范圍交點(diǎn)測(cè)溫的應(yīng)用場(chǎng)合。

此外，光纖傳感器還可以應(yīng)用于鐵路監(jiān)控、火箭推進(jìn)系統(tǒng)以及油井檢測(cè)等方面。

光纖同時(shí)具備寬帶、大容量、遠(yuǎn)距離傳輸和可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)、分布式、低能耗傳感的顯著優(yōu)點(diǎn)。光纖傳感可以不斷汲取光纖通信的新技術(shù)、新器件，各種光纖傳感器有望在物聯(lián)網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。 ［3］

案例

編輯

土木工程領(lǐng)域

隨著光纖傳感器技術(shù)的發(fā)展，在土木工程領(lǐng)域光纖傳感器得到了廣泛的應(yīng)用，用來(lái)測(cè)量混凝土結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)部應(yīng)力，檢測(cè)大型結(jié)構(gòu)、橋梁健康狀況等，其中最主要的都是將光纖傳感器作為一種新型的應(yīng)變傳感器使用。

光纖傳感器可以黏貼在結(jié)構(gòu)物表面用于測(cè)量，同時(shí)也可以通過(guò)預(yù)埋實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物內(nèi)部物理量的測(cè)量。利用預(yù)先埋入的光纖傳感器，可以對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷過(guò)程中內(nèi)部應(yīng)變的測(cè)量，再根據(jù)荷載——應(yīng)變關(guān)系曲線斜率，可確定結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷的形成和擴(kuò)展方式。通過(guò)混凝土實(shí)驗(yàn)表明，光纖測(cè)試的載荷——應(yīng)變曲線比應(yīng)變片測(cè)試的線性度高。 ［4］

檢測(cè)技術(shù)

光纖傳感器在航天（飛機(jī)及航天器各部位壓力測(cè)量、溫度測(cè)量、陀螺等）、航海（聲納等）、石油開采（液面高度、流量測(cè)量、二相流中空隙度的測(cè)量）、電力傳輸（高壓輸電網(wǎng)的電流測(cè)量、電壓測(cè)量）、核工業(yè)（放射劑量測(cè)量、原子能發(fā)電站泄露劑量監(jiān)測(cè)）、醫(yī)療（血液流速測(cè)量、血壓及心音測(cè)量）、科學(xué)研究（地球自轉(zhuǎn)）等眾多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。 ［4］

石油工業(yè)

在石油測(cè)井技術(shù)中，可以利用光纖傳感器實(shí)現(xiàn)井下石油流量、溫度、壓力和含水率等物理量的測(cè)量。較成熟的應(yīng)用是采用非本征光纖F—P腔傳感器測(cè)量井下的壓力和溫度。非本征光纖F-P腔傳感器利用光的多光束干涉原理，當(dāng)被測(cè)的溫度或者壓力發(fā)生變化時(shí)干涉條紋改變，光纖F—P腔的腔長(zhǎng)也隨之發(fā)生變化，通過(guò)計(jì)算腔長(zhǎng)的變化實(shí)現(xiàn)溫度和壓力的測(cè)量。 ［4］

溫度測(cè)量

光纖傳感技術(shù)是伴隨光通信的迅速發(fā)展而形成的新技術(shù)。在光通信系統(tǒng)中，光纖是光波信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸?shù)拿劫|(zhì)。當(dāng)光波在光纖中傳輸時(shí)，表征光波的相位、頻率、振幅、偏振態(tài)等特征參量，會(huì)因溫度、壓力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)等外界因素的作用而發(fā)生變化，故可以將光纖用作傳感器元件，探測(cè)導(dǎo)致光波信號(hào)變化的各種物理量的大小，這就是光纖傳感器。利用外界因素引起光纖相位變化來(lái)探測(cè)物理量的裝置，稱為相位調(diào)制傳感型光纖傳感器，其他還有振幅調(diào)制傳感型、偏振態(tài)調(diào)制型、傳光型等各種光纖傳感器。 ［4］

楊氏模量

采用傳感器測(cè)量?jī)x代替光杠桿鏡尺組組成新的楊氏模量測(cè)量系統(tǒng)，不僅操作簡(jiǎn)短，而且提高了測(cè)量結(jié)果的精確度和準(zhǔn)確度。金屬絲傳統(tǒng)的拉伸法的基本原理是將金屬絲受到砍碼的作用力后的微小伸長(zhǎng)形變量通過(guò)鏡尺組的光路轉(zhuǎn)換而將之放大若干倍數(shù)，從而得到微小伸長(zhǎng)，再通過(guò)計(jì)算得到楊氏模量值。

而自從有的傳感器，我們把光纖傳感器測(cè)量新方法和上述方法對(duì)比，光纖傳感器的測(cè)量在靈敏度、精確度及準(zhǔn)確度上都有提高。紅外光測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量的基本原理為采用紅外光光纖傳感器直接測(cè)量微小位移，紅外光光纖傳感器對(duì)于3mm以內(nèi)的微小距離測(cè)量的線性度是非常高的。系統(tǒng)由傳感器測(cè)量?jī)x與反射式光纖位移傳感器組成。

反射式光纖位移傳感器的工作原理是采用兩束多模光纖，一端合并組成光纖探頭，另一端分為兩束，分別作為接收光纖和光源光纖。當(dāng)光發(fā)射器發(fā)生的紅外光，經(jīng)光源光纖照射至反射體，被反射的光經(jīng)接收光纖，傳至光電轉(zhuǎn)換元件將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。其輸出的光強(qiáng)與反射體距光纖探頭的距離之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，所以可通過(guò)對(duì)光強(qiáng)的檢測(cè)得到位移量。在楊氏模量?jī)x的金屬絲處的圓柱體上利用磁鐵固定鍍鎳反射金屬片，使其能隨鋼絲伸長(zhǎng)而移動(dòng)。在支架臺(tái)上固定紅外傳感器，而后在傳感器測(cè)量?jī)x上通過(guò)改變位移將實(shí)驗(yàn)得到的電勢(shì)差值，通過(guò)多次測(cè)試，既轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器測(cè)量?jī)x自帶的螟旋測(cè)微儀，也即改變探頭與金屬片的距離和位置，當(dāng)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)記錄的鋼絲仲長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的電勢(shì)差值時(shí)，記錄此時(shí)的螺旋測(cè)微儀讀數(shù)。測(cè)試表明采用紅外光測(cè)距此方法操作簡(jiǎn)單。只需將探頭和反射片安裝好后就可以直接開始在托盤上加法碼實(shí)際測(cè)量了，側(cè)量的結(jié)果是明顯優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)試。［3］

環(huán)境分析

編輯

隨著中國(guó)工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用環(huán)境的不斷發(fā)展，儀器儀表行業(yè)日新月異，當(dāng)前儀器儀表行業(yè)面臨新的發(fā)展，這一行業(yè)的十二五規(guī)劃（草案），也根據(jù)新時(shí)期的要求，提出了重點(diǎn)發(fā)展的若干關(guān)鍵技術(shù)，這對(duì)行業(yè)未來(lái)發(fā)展無(wú)疑有著重要的指導(dǎo)意義。

新型傳感器技術(shù)包括固態(tài)硅傳感器技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、生物芯片技術(shù)、基因芯片技術(shù)、圖像傳感器技術(shù)、全固態(tài)慣性傳感器技術(shù)等。“十二五”將以智能傳感器作為重點(diǎn)，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。在光纖傳感領(lǐng)域，重點(diǎn)發(fā)展新原理、新效應(yīng)的傳感技術(shù)，傳感器智能技術(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，微型化和低功耗技術(shù)以及傳感器陣列及多功能多參數(shù)設(shè)計(jì)、制造和封裝技術(shù)。

目前有數(shù)百個(gè)單位在這一領(lǐng)域開展工作，如清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、天津大學(xué)、重慶大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等，他們?cè)诠饫w溫度傳感器、壓力計(jì)、流量計(jì)、液位計(jì)、電流計(jì)等領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究。此外，在武漢、上海、廣東、深圳等地，還建立了許多光纖無(wú)源器件生產(chǎn)廠家，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到1200億元以上。

（一）影響行業(yè)發(fā)展的有利因素分析

國(guó)家科委于1987年4月制定的《傳感器發(fā)展政策》白皮書確定了必須大力發(fā)展傳感器技術(shù)，特別是要把新型傳感器技術(shù)作為優(yōu)先領(lǐng)域予以發(fā)展。1991年 12月30日《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的十年規(guī)劃和八五計(jì)劃的建議》中第21條明確了要大力加強(qiáng)傳感器的開發(fā)和在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的普遍應(yīng)用。

（二）影響行業(yè)發(fā)展的不利因素分析

雖然光纖傳感器技術(shù)在實(shí)際檢測(cè)中取得了一些應(yīng)用，但仍存在一些問(wèn)題，如光纖埋入結(jié)構(gòu)的工藝問(wèn)題，雖然可以通過(guò)安裝方式得到改善，但同時(shí)也導(dǎo)致了應(yīng)變要先經(jīng)過(guò)金屬傳遞，然后再由光纖間接感應(yīng)到應(yīng)變，因此需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)修正才能夠進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。同時(shí)光纖傳感器的輸出信號(hào)會(huì)受到光源波動(dòng)、光纖傳輸損耗變化、探測(cè)器老化等因素的影響，這些因素都會(huì)降低光纖傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性。再者目前光纖傳感器實(shí)用性還有待開發(fā)，同時(shí)其制作成本相當(dāng)昂貴。目前光纖傳感器很大一部分產(chǎn)品還在實(shí)驗(yàn)室階段，因此需要將實(shí)驗(yàn)結(jié)果盡快投入到使用中去。

隨著市場(chǎng)逐漸開放和中國(guó)投資環(huán)境的改善以及全球化經(jīng)濟(jì)的進(jìn)程加速，各國(guó)傳感器廠家紛紛進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，這加劇了市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。中國(guó)本土傳感器技術(shù)水平與世界水平相比仍存在很大差距，這種差距一方面表現(xiàn)為傳感器在感知信息方面的落后，另一方面則表現(xiàn)為傳感器自身在智能化和網(wǎng)絡(luò)化方面的技術(shù)落后。國(guó)產(chǎn)企業(yè)形成了“外強(qiáng)中干”的局面，不僅失去了中高端產(chǎn)品市場(chǎng)，而且直接導(dǎo)致自己能生產(chǎn)的產(chǎn)品品種單一，同質(zhì)化嚴(yán)重，國(guó)產(chǎn)傳感器價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，但質(zhì)量上與國(guó)外產(chǎn)品相比仍存在一定差距，一般應(yīng)用在對(duì)信號(hào)要求不高的區(qū)域。 ［3］

行業(yè)分析

編輯

光纖傳感器的基本工作原理是將來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)光，在經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。

由于在傳統(tǒng)終端市場(chǎng)的應(yīng)用可能性擴(kuò)大以及新應(yīng)用領(lǐng)域的新興機(jī)會(huì)所推動(dòng)，2013年全球光纖傳感器市場(chǎng)規(guī)模為18.9億美元。預(yù)計(jì)，到2020年，全球光纖傳感器市場(chǎng)預(yù)計(jì)達(dá)35億美元（約合人民幣217.2億元）。

傳統(tǒng)終端市場(chǎng)包括航空航天、國(guó)防、石油天然氣開采、基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展和電信行業(yè)。傳統(tǒng)終端市場(chǎng)的發(fā)展將繼續(xù)推進(jìn)全球光纖傳感器市場(chǎng)的增長(zhǎng)。通信行業(yè)從3G到4G網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)過(guò)渡、關(guān)注智能結(jié)構(gòu)的增長(zhǎng)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的新興增長(zhǎng)、石油天然氣領(lǐng)域的發(fā)展都為市場(chǎng)增長(zhǎng)提供了重要機(jī)遇。

尤其是在新興市場(chǎng)中，如中國(guó)和印度，增長(zhǎng)的制造活動(dòng)、上升的汽車需求、穩(wěn)定的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)活動(dòng)以及國(guó)防支出的增加，都成為全球光纖傳感器行業(yè)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)因素。 ［3］

組成結(jié)構(gòu)

編輯

光纖傳感器網(wǎng)的三種基本構(gòu)成。

光纖傳感器網(wǎng)有三種基本構(gòu)成，其中一個(gè)叫單點(diǎn)式傳感器。一根光纖在這里僅僅起到傳輸?shù)淖饔茫硗庖环N叫多點(diǎn)式傳感器，在這里一根光纖把很多傳感器串起來(lái)，這樣很多傳感器可以共用光源實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性監(jiān)測(cè)。再有就是智能光纖傳感器。

多點(diǎn)式光纖傳感器，從外表看就是一節(jié)光柵，通過(guò)紫外線照射發(fā)現(xiàn)有周期性的間隔。當(dāng)有光纖入射的時(shí)候，如果光纖的波長(zhǎng)正好等于間隔的兩倍，那么這個(gè)光波將會(huì)受到強(qiáng)烈的反射，而如果光纖受到溫度變化或者應(yīng)變等等，這個(gè)反射波長(zhǎng)將會(huì)發(fā)生變化，這種傳感器在一根光纖上可以做很多個(gè)，把它連接起來(lái)就可以用于各種各樣的傳感應(yīng)用。

因?yàn)楣饫w是軟的，它可以兩維、三維，所以橫軸是空間的位置，縱軸是測(cè)量對(duì)象。這樣一個(gè)傳感網(wǎng)解決了什么問(wèn)題呢？它解決了在什么位置上發(fā)生了什么事情，那個(gè)事情有多少個(gè)強(qiáng)度的問(wèn)題，也就是提供了兩維的信息。這就是智能光纖傳感器所需要解決的問(wèn)題，它有非常突出的特點(diǎn)要求，包括體積小、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，可植入材料中。抗電磁干擾、耐環(huán)境。 ［1］

光纖傳感器已經(jīng)成功應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。我們看到A-380和波音787，它們的特點(diǎn)是超過(guò)一半數(shù)量是碳纖維，比如說(shuō)碳纖維符合樹脂有幾種缺失，一個(gè)是層與層之間的剝離，由于這種材料比較強(qiáng)，所以很難像鋁合金材料那樣實(shí)行碳酸檢測(cè)，所以研究人員現(xiàn)在開始研究把光纖傳感器埋到復(fù)合材料當(dāng)中去，由于這種材料一層大概125微米的厚度，所以這種光纖傳感器必須是特別細(xì)小的光纖傳感器，大概直徑在50個(gè)微米左右。

我們說(shuō)光纖傳感器網(wǎng)可以成為安全安心社會(huì)的神經(jīng)網(wǎng)。光纖傳感器網(wǎng)可以用語(yǔ)光纖通訊網(wǎng)的診斷技術(shù)。光纖傳感器網(wǎng)在安防方面已經(jīng)有很多的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)有很多企業(yè)在這方面開展了卓有成效的工作。 ［3］

發(fā)展前景

編輯

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，應(yīng)用最為廣泛的光纖傳感技術(shù)當(dāng)屬布拉格光纖光柵和基于光時(shí)域反射的分布式傳感器，這種技術(shù)基本上可以滿足中低端市場(chǎng)的需求。而現(xiàn)在光譜線寬窄至2kHz的單頻光纖激光器及其引申出來(lái)的最新一代光傳感技術(shù)，這與傳統(tǒng)的光纖傳感有很大的區(qū)別，它可以進(jìn)行超遠(yuǎn)距離的傳輸，精度和敏感度能達(dá)到更高的要求，這在高端市場(chǎng)上需求很大，21世紀(jì)初，該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚處于立項(xiàng)和預(yù)研階段。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上光纖傳感器應(yīng)用主要在以下四種：光纖陀螺、光纖光柵傳感器、光纖電流傳感器和光纖水聽器。下面對(duì)這四種產(chǎn)品分別介紹一下。

一、光纖陀螺。 光纖陀螺按原理可分為干涉型、諧振型和布里淵型，這是三代光纖陀螺的代表。第一代干涉型光纖陀螺，21實(shí)際初期，該項(xiàng)技術(shù)就已經(jīng)成熟，適合進(jìn)行批量生產(chǎn)和商品化；第二代諧振型光纖陀螺，暫時(shí)還處于實(shí)驗(yàn)室研究向?qū)嵱没七M(jìn)的發(fā)展階段；第三代布里淵型，它還處于理論研究階段。光纖陀螺結(jié)構(gòu)根據(jù)所采用的光學(xué)元件有三種實(shí)現(xiàn)方法：小型分立元件系統(tǒng)、全光纖系統(tǒng)和集成光學(xué)元件系統(tǒng)。21世紀(jì)初期，分立光學(xué)元件技術(shù)已經(jīng)基本退出，全光纖系統(tǒng)用在開環(huán)低精度、低成本的光纖陀螺中，集成光學(xué)器件陀螺由于其工藝簡(jiǎn)單、總體重復(fù)性好、成本低，所以在高精度光纖陀螺很受歡迎，是其主要實(shí)現(xiàn)方法。

二、光纖光柵傳感器。 目前國(guó)內(nèi)外傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一光纖布拉格光柵傳感器。傳統(tǒng)光纖傳感器基本上可分為兩種類型：光強(qiáng)型和干涉型。光強(qiáng)型傳感器的缺點(diǎn)在于光源不穩(wěn)定，而且光纖損耗和探測(cè)器容易老化；干涉型傳感器由于要求兩路干涉光的光強(qiáng)同等，所以 需要固定參考點(diǎn)而導(dǎo)致應(yīng)用不方便。21世紀(jì)初期開發(fā)的以光纖布拉格光柵為主的光纖光柵傳感器可以避免出現(xiàn)上面兩種情況，其傳感信號(hào)為波長(zhǎng)調(diào)制、復(fù)用能力強(qiáng)。在建筑健康檢測(cè)、沖擊檢測(cè)、形狀控制和振動(dòng)阻尼檢測(cè)等應(yīng)用中，光纖光柵傳感器是最理想的靈敏元件。光纖光柵傳感器在地球動(dòng)力學(xué)、航天器、電力工業(yè)和化學(xué)傳感中有廣泛的應(yīng)用。

三、光纖電流傳感器。電力工業(yè)的迅猛發(fā)展帶動(dòng)電力傳輸系統(tǒng)容量不斷增加，運(yùn)行電壓等級(jí)也越來(lái)越高，電流也越來(lái)越大，這樣測(cè)量起來(lái)就非常困難，這就顯現(xiàn)出光纖電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)了。在電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的用來(lái)測(cè)量電流的傳感器是以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)，這就存在以下缺點(diǎn)：它容易爆炸以至引起災(zāi)難性事故；大故障電流會(huì)造成鐵芯磁飽和；鐵芯發(fā)生共振效應(yīng)；頻率響應(yīng)慢；測(cè)量精度低；信號(hào)易受干擾；體積重量大、價(jià)格昂貴等等，已經(jīng)很難滿足新一代數(shù)字電力網(wǎng)的發(fā)展需要。這個(gè)時(shí)候光纖電流傳感器應(yīng)運(yùn)而生。

四、光纖水聽器。 光纖水聽器主要用來(lái)測(cè)量水下聲信號(hào)，它通過(guò)高靈敏度的光纖相干檢測(cè)，將水聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并通過(guò)光纖傳至信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別。與傳統(tǒng)水聽器相比，光纖水聽器具有靈敏度高、響應(yīng)帶寬寬、不受電磁干擾等特點(diǎn)，廣泛用于軍事和石油勘探、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α９饫w水聽器按原理可分為干涉型、強(qiáng)度型、光柵型等。干涉型光纖水聽器關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成熟，在部分領(lǐng)域形成產(chǎn)品；光纖光柵水聽器則是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，研究的關(guān)鍵技術(shù)涉及光源、光纖器件、探頭技術(shù)、抗偏振衰落技術(shù)、抗相位衰落技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、多路復(fù)用技術(shù)以及工程技術(shù)等。

光纖傳感器技術(shù)是建立在光纖、光通信和光電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，電磁干擾和腐蝕作用對(duì)它的影響很小，還能適應(yīng)各種惡劣的氣象環(huán)境，不要額外的電源進(jìn)行供電，就可以長(zhǎng)距離的進(jìn)行傳輸，已成為傳感器行業(yè)的研究熱點(diǎn)。

傳感器一直朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過(guò)程中，光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍卻是倍受青睞。

光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能。光纖傳感器應(yīng)用于對(duì)磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測(cè)量。其應(yīng)用范圍十分廣泛。因此我們可以說(shuō)光纖傳感器具有很大的市場(chǎng)需求，不說(shuō)長(zhǎng)久，至少在未來(lái)5年，光纖傳感器將會(huì)有廣闊的發(fā)展前景。

光纖傳感技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，滿足了各類控制裝置及系統(tǒng)對(duì)信息的獲取與傳輸提出的更高要求，使得各領(lǐng)域的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，作為系統(tǒng)信息獲取與傳輸核心器件的光纖傳感器的研究非常重要。

光纖傳感器技術(shù)發(fā)展的主要方向是：（1）多用途。即一種光纖傳感器不僅只針對(duì)一種物理量，要能夠?qū)Χ喾N物理量進(jìn)行同時(shí)測(cè)量。（2）提高分布式傳感器的空間分辨率、靈敏度，降低其成本，設(shè)計(jì)復(fù)雜的傳感器網(wǎng)絡(luò)工程。注意分布式傳感器的參數(shù)，即壓力、溫度，特別是化學(xué)參數(shù)（碳?xì)浠衔铩⒁恍┪廴疚铩穸取H值等）對(duì)光纖的影響。（3）新型傳感材料、傳感技術(shù)等的開發(fā)。（4）在惡劣條件下（高溫、高壓、化學(xué)腐蝕）低成本傳感器（支架、連接、安裝）的開發(fā)和應(yīng)用。（5）光纖連接器及與其它微技術(shù)結(jié)合的微光學(xué)技術(shù)。

光纖傳感運(yùn)用主要分為五大方向：

（1）石油和天然氣——油藏監(jiān)測(cè)井下的P/T傳感、地震陣列、能源工業(yè)、發(fā)電廠、鍋爐及蒸汽渦輪機(jī)、電力電纜、渦輪機(jī)運(yùn)輸、煉油廠；（2）航空航天——噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭推進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)身；（3）民用基礎(chǔ)建設(shè)——橋梁、大壩、道路、隧道、滑坡；（4）交通運(yùn)輸——鐵路監(jiān)控、運(yùn)動(dòng)中的重量、運(yùn)輸安全；（5）生物醫(yī)學(xué)——醫(yī)用溫度壓力、顱內(nèi)壓測(cè)量、微創(chuàng)手術(shù)、一次性探頭。

責(zé)任編輯：ct