感应光纤传感器原理与应用及发展

【摘 要】近年来随着感应光纤传感技术的应用和推广，感应光纤传感器越来越为人所知，且应用极为广泛。本文主要论述了感应光纤传感器的基本原理、应用及其发展，望对今后感应光纤传感器的研究有一定帮助。

【关键词】感应光纤传感器；传感器原理；应用；发展

1.引言

由于各行各业对高效率高水平操作的需求，随着光导纤维和光纤通信技术的发展，光纤传感技术应运而生。作为一门较为崭新的技术手段，光纤传感技术具有抗电磁干扰性强、灵敏度高、电绝缘性能好、安全可靠、耐腐蚀等优点，并在众多领域具有广阔的前景，如航天、航海、石油开采、电力传输、核工业、医疗、科学研究等。随着密集波分复用DWDM技术、掺饵光纤放大器EDFA技术和光时分复用OTDR技术的发展和成熟，光纤传感技术正向着更为高速、大容量的方向发展。当前，感应光纤传感技术的研究已经成为各领域开发的热点与关键。本文主要介绍了感应光纤传感器的基本原理及其优点，对它的应用进行适当归纳，并分析感应光纤传感器的发展趋势。

2.感应光纤传感器的基本原理

感应光纤传感器主要由感应光源、入射光纤、出射光纤、调制器、探测器以及解调器组成，其基本工作原理是将从光源感应到的光通过光纤送入调制器，当待测参数与进入调制区的光相互作用之后，光的性质将会发生化学变化成为可被调制的信号光，这里主要被转换的有光的强度、波长、频率、相位等，这些信号光经过出射光纤进入探测器和解调器，最后可得到被测参数。

感应光纤传感器依据传感原理可分为功能型和传光型。功能型感应光纤传感器主要是利用光纤本身的某种敏感特性或功能支撑，而在传光型感应光纤传感器中，光纤只用于传输光，这种传感器是在光纤端面或中间加装其他的敏感元件来分析被测物的变化。与传光型感应光纤传感器相比，功能型的感应光纤传感器中的光纤除了作为导光媒介外，还充当敏感元件，具有结构紧凑、灵敏度高的优点，而传光型的传感器却具有成本较低的优势，且更为实用化。

3.感应光纤传感器的应用

感应光纤传感器的应用越来越贴近人们的生活，在社会各个领域应用广泛，如工业生产、医疗卫生、国防工程等，以下将从城市建设、电力、石油开采、环境监测、医学领域几个方面对感应光纤传感器的应用进行论述。

3.1城市建设的应用

在现代城市建设中，桥梁、大坝、核电站等大型建设项目都采用了光纤传感技术，尤其是在桥梁的检测中更具有明显的优势。传统的桥梁检测是以电检测方法为主，需要大量的人力和物力，无法做到实时监测。感应光纤传感器在桥梁检测中，主要是利用光纤对某些特定的物理量敏感的特性，将外界物理量转换成可直接进行测量的的信号，我们把感应光纤传感器埋入桥梁中，对桥梁内部的应力、应变以及结构损伤进行测量。目前，国内外诸多国家纷纷在桥梁、大坝登封大型民用基础设施的安全监测中采用感应光纤传感器，取得了令人鼓舞的进展。

3.2电力系统的应用

在电力系统中，我们常常要对系统中的温度、电流等参数进行测定，感应光纤传感器因其抗电磁干扰、电绝缘、高灵敏度等优点，对电力系统的参数测定具有明显优势，如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等方面。

3.3石油化工的应用

目前，我国对油田的开采已进入高含水开采阶段，由于原有中的含水率达到八成以上，而传统的测量工具分辨率较低，不能完全满足油田开发的需要，由于感应光纤传感器的抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、寿命长以及对被测物影响较小等优点，非常适用于石油化工的开采。感应光纤传感器主要对流体流量、温度、压力、含水率、含气率、密度自然伽马、VSP和光学电视进行测量。

3.4复合材料研究的应用

复合材料的研究已成为航空、建筑、工业等领域的研究热门，由于复合材料的制作过程对其的宏观性能具有重要影响，我们可以考虑采用感应光纤传感器，从复合材料的制造、固化，直至形成的过程中，对应力、应变进行跟踪，将能很好的保证复合材料的宏观性能。另外，将感应光纤传感器看作一种器件埋置于复合材料中，因其高灵敏度的特性，可使得材料智能化，即使对外部环境的变化进行响应。感应光纤传感器的应用将会为智能复合材料的发展奠定良好的基础。

3.5医学领域的应用

感应光纤传感器在医学领域的应用，主要体现在医学临床光纤辐射剂量器、呼吸气流传感系统、FOS氧气浓度测量以及氢氧化物、污染物的测量、光纤表面细胞质粒基因组共振生物传感器、生物适应FOS系统对生化技术和医药研究等方面。在医学领域的应用中，主要依据感应光纤传感器对实时的信号进行处理，并传递给主控台，有利于医护人员对病患的监控和诊治。

4.感应光纤传感器的发展方向

4.1国内外感应光纤传感器的研究进展

在光纤传感技术的研发过程中，美国是第一个提出光纤传感技术的国家，因而感应光纤传感器在美国的民用和军事领域进展十分迅速。日本和西欧等国家在20世纪90年代也逐步开始对光纤传感技术高度重视，在经济电讯领域应用广泛。而我国是在20世纪70年代开始研究光纤传感技术，与世界先进水平相差不多，现已有相当数量的研究成果达到世界先进水准，具有较高的实际应用价值，当然，在感应光纤传感器的商品化和产业化方面，与发达国家具有不小的差距。

4.2感应光纤传感器的发展方向

由于感应光纤传感器的多种优势，以及巨大的潜在应用空间，感应光纤传感器可以从多用途、多材料、多环境、多技术等方面进行研究和发展，尤其研究感应光纤传感器各组成部件的性能，改进各敏感元件的制作工艺和结构，探索新的传感机理，引入微机处理技术，向数字集成化和工程自动化靠拢，使得感应光纤传感器能够扩大应用范围、降低成本，综合利用多项技术，更为全面的完善感应光纤传感器的应用，满足国内市场的需求，从大比重研究转向大比重商品产业化发展。

5.结论

综上所述，感应光纤传感器经过几十年的研究和发展，已经在各领域占有不小的比重，感应光纤传感器的发展满足了各类控制装置及系统对信息获取和传输的需求，实现了工作的自动化，当然现有的感应光纤传感器还不足以完全满足实际的需要，仍需要在不断推广的同时，解决性价比、光纤材料、优化传感机理等问题，才能在真正意思上完成对感应光纤传感器的应用，研制出能够广泛推广的商品化感应光纤传感器，这将会成为今后感应光纤传感器进一步的发展趋势。

参考文献

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