光纤传感器的理论与应用研究

【摘 要】现阶段，传感器在我国的生活中应用的非常广泛，光纤传感器一经出现就得到广泛应用和快速发展，在各个领域和人们的生活中占据非常重要的地位。本文详细介绍了光纤传感器的一些理论，包括光导纤维的原理和分类以及光纤传感器的原理、分类、特点，并探讨了光纤传感器的应用。

【关键词】光导纤维；光纤传感器；原理；应用

从1977年开始，光纤传感器在我国兴起并快速发展起来。相比普通的传感器，光纤传感器具有高灵敏度、强抗干扰能力、高绝缘强度、耐高温腐蚀、质轻、柔韧等优势，这主要是因为光纤传感器传递信息的载体和方式与一般传感器不同，它是以光为载体、以光纤为媒介进行信息传递的。光纤传感器的优势就决定了其应用的广泛性。

1 光导纤维的结构与分类

光导纤维，即光纤是用非常细的石英玻璃丝制作成的，一般情况下为圆柱形。光纤包括内芯和包层两种结构，正常情况下内芯的折射率要大于包层的折射率。光之所以能够沿着光纤传播，是因为光被束缚在光纤内。

光纤的种类具有多样性，同样其分类方法也具有多样性。第一，光纤依据材料的不同可以分为高纯度石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤三种。其中高纯度石英玻璃光纤具有光损耗低的特点，多组分玻璃光纤相对塑料光纤来说其光损耗也较低，塑料光纤虽然光损耗较高，但是其成本较低、质轻柔软，短距离导光的性能较好。第二，光纤依据折射率的不同可以非为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤两种。第三，光纤依据光线传播方式的不同可以分为单模光纤和多模光纤两种。

2 光纤传感器的一些理论

2.1 光纤传感器的结构和原理

光纤传感器是将光由被测量状态转变为可测量信号的一种装置，简单的说就是光纤对光纤内部传输的光信号进行调制和检测。光纤传感器包括光导纤维、光发送器、敏感元件、光接收器、信号处理系统等，其结构如下图所示。

图1 光纤传感器的结构图

光纤传感器的原理是光源由光发送器发出到敏感元件，敏感元件对其进行调制，然后经过光纤耦合之后发送到光接收器，光接收器将光信号转变为电信号，电信号进入信号处理系统后被测量得到所需数据。

2.2 光纤传感器的优点

光纤传感器之所以能够得到广泛应用和迅速发展，是因为其具备了普通传感器所不具备的优点，主要体现在以下几个方面：

（1）灵敏度高。光纤传感器是以光作为载体的，光学测量高灵敏度的特点就决定了光纤传感器也具有高灵敏度。这个优点使光纤传感器在精密测量中应用广泛。

（2）恶劣环境适应能力强。光纤传感器的信息传播媒介是光纤，而光纤抗电磁干扰能力强、电绝缘能力强、耐腐蚀能力强，这就决定了光纤传感器对恶劣环境的适应能力强，因此它被广泛应用于石油化工、矿井等环境比较恶劣的领域中。

（3）测量速度快。光具有最快的传播速度，其作为光纤传感器的载体，大大提升了传感器测量的速度，使之在高速测量领域应用广泛。

（4）信息容量大。光的高频率使其能够容纳较宽的频带，加之光纤传感器的载体为光，可以实现多路信号在同一根光纤的同时传播。

（5）远距离监控容易。光纤传感器光损耗低的特点决定了可以对被测对象进行远距离监控，这种监控可以通过光纤传感器技术或者遥测技术实现。

3 光纤传感器的应用领域

3.1 在石油化工系统中的应用

石油化工系统的工作环境具有高温、高压、化学腐蚀强、电磁干扰强等特点，一般的传感器在这种环境下很难发挥其作用，而光纤传感器所具有的体积小、质量轻、容易弯曲、抗电磁干扰、抗辐射等特点就决定了其能够在恶劣环境下使用，因此，光纤传感器可以应用到石油化工系统中进行油井相关参数的测量，不断促进油气、石油等领域的发展。此外，光纤传感器还勘探钻井方面具有得天独厚的优势，这主要是由于其具有高温抵抗能力强、感应能力强、需求空间小等特点决定的。

3.2 在电力系统中的应用

电力系统具有网络分布广、分布点多、结构复杂、精确度高等特点，将光线传感器应用到其中能够确保电力系统的正常运行。第一，针对电力系统分布广、分布点多的特点，光纤传感器能够对其分别进行检测，且其所具备的灵敏度高的特点使光纤传感器在突发事件下及时作出相应反应，能够避免事故的发生；第二，基于光纤传感器制作的电功率传感器，能够替代电磁测量在电力系统中的应用，并且能够弥补传统电磁测量的不足。

3.3 在医学方面的应用

非功能型光纤传感器在医学方面应用的特别广泛。这类传感器具有质轻柔软、体积小、抗干扰能力强、绝缘能力强等特点，加之光纤传感器的测量精度高，使之在医学方面主要由以下几个方面的应用：第一，测量pH值；第二，测量温度；第三，测量压力；第四，传输医用图像；第五，测量血流速度。

3.4 在土木工程中的应用

现阶段，我国土木工程面临的最重要最难解决的问题就是重大安全事故问题，安全事故会造成人员伤亡和经济损失，是长时期以来一直难以攻克的难题。而光纤传感器的出现将很好的解决这一难题，这主要是因为光纤传感器的测量精度高、测量距离远，能够满足土木工程对测量的要求，现阶段它在土木工程中主要应用在以下几个方面：第一，对隧道的监测；第二，对桥梁的监测；第三，对边坡的监测。

3.5 在军事领域中的应用

一方面，光纤传感器能够用于军事探测领域，以光纤声呐阵的形式探测敌方的潜艇，尽管现阶段光纤声呐阵还处于试验阶段，但是在不久的将来必将成为现代军事的重要探测和定位方式；另一方面，光纤传感器还能够用于导弹的制造中，以光纤陀螺仪的形式进行导弹姿态的测量，在制造导弹、控制导弹和追踪目标的过程中发挥着不可替代的作用，现阶段，光纤陀螺仪已经在军事领域中投入使用。

3.6 在环境监控中的应用

使用光纤传感器能够实现对水和大气进行持续、远程的监控，它不仅操作方便而且监控的结果较为真实可靠。

在水质监测方便，基于光纤传感器的多种传感器如光纤pH传感器、光纤离子传感器、光纤化合物传感器等，可以在不同的方便对水质进行监测。在大气监测方面，氧分压和二氧化碳分压都可用光纤传感器进行监测，不仅灵敏度高而且稳定性也比较好。

3.7 在飞机飞行控制系统中的应用

现阶段，我国科学技术飞速发展，飞机的飞行控制系统中已经开始适应一些光纤传感器和光电元件，而随着数字电子式飞机飞行控制系统的深入发展，光纤传感器在飞行控制系统中将得到更加广泛的应用，如时间分割多路传输型光纤传感器、相干频率调制载波型光纤传感器等。

综上所述，现阶段光纤传感器凭借其优势已经在我国的各个领域中得到广泛的应用，发挥着不可替代的作用，不断推动着我国经济社会的不断发展。但是，光纤传感器现阶段的技术仍然存在着一些问题，难以满足社会的实际需求，如光源波动、探测器老化等都会影响光纤传感器的输出信号，光纤传感器各个部件的性能对其测量精度也有一定的影响等。因此，我们还需要进一步加强对光纤传感技术的研究，不断推出新的传感原理，掌握传感器各个部件的性能，以减小外部环境及内部构造对光纤传感器的影响。要将微处理技术和计算机软件技术充分渗透到光纤传感器中，发展以集成化、自动化和工程化为目标的新型光纤传感器。

参考文献：

[1]李彩.光纤传感器的原理及应用[J].科技创业家，2013（2）.

[2]尹林.光纤传感器及其应用研究[J].电子制作，2013（4）.

[3]李亚婷.光纤传感器的应用[J].电子制作，2012（10）.

作者简介：

林小泸（1982.12―），男，广东揭阳人，长讯通信服务有限公司，大学本科，研究方向：无线网络优化。