光纖傳感技術(shù)傳感器的分類

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，同時又是光電敏感元件。由于外界環(huán)境對光纖自身的影響，待測量的物理量通過光纖作用于傳感器上，使光波導(dǎo)的屬性(光強、相位、偏振態(tài)、波長等)被調(diào)制。傳感器型光纖傳感器又分為光強調(diào)制型、相位調(diào)制型、振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型等。

傳光型光纖傳感器是將經(jīng)過被測對象所調(diào)制的光信號輸入光纖后,通過在輸出端進行光信號處理而進行測量的，這類傳感器帶有另外的感光元件對待測物理量敏感，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)其測量范圍還可分為點式光纖傳感器、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檢測大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布，可以快速無損測量結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)部或表面應(yīng)力等重要參數(shù)。目前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。

光纖干涉型傳感器由于靈敏度高、體積小等優(yōu)點，受到很大關(guān)注。但是干涉型傳感器對被測物理量的變化敏感的同時也對溫度漂移、環(huán)境振動等干擾也同樣敏感。目前用于光相位解調(diào)的干涉方法很多，主要有雙光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法、環(huán)形干涉法等。

光纖工作頻帶寬，動態(tài)范圍大，適合于遙測遙控，是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線；在一定條件下，光纖特別容易接受被測量或場的加載，是一種優(yōu)良的敏感元件；光纖本身不帶電，體積小，質(zhì)量輕，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(yán)格限制及強電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。因此，光纖傳感技術(shù)一問世就受到極大重視，幾乎在各個領(lǐng)域得到研究與應(yīng)用，成為傳感技術(shù)的先導(dǎo)，推動著傳感技術(shù)蓬勃發(fā)展。

光纖傳感，包含對外界信號（被測量）的感知和傳輸兩種功能。所謂感知（或敏感），是指外界信號按照其變化規(guī)律使光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ奈锢硖卣鲄⒘?，如強度（功率）、波長、頻率、相位和偏振態(tài)等發(fā)生變化，測量光參量的變化即“感知”外界信號的變化。這種“感知”實質(zhì)上是外界信號對光纖中傳播的光波實時調(diào)制。所謂傳輸，是指光纖將受到外界信號調(diào)制的光波傳輸?shù)焦馓綔y器進行檢測，將外界信號從光波中提取出來并按需要進行數(shù)據(jù)處理，也就是解調(diào)。因此，光纖傳感技術(shù)包括調(diào)制與解調(diào)兩方面的技術(shù)，即外界信號（被測量）如何調(diào)制光纖中的光波參量的調(diào)制技術(shù)（或加載技術(shù)）及如何從被調(diào)制的光波中提取外界信號（被測量）的解調(diào)技術(shù)（或檢測技術(shù)）。

外界信號對傳感光纖中光波參量進行調(diào)制的部位稱為調(diào)制區(qū)。根據(jù)調(diào)制區(qū)與光纖的關(guān)系，可將調(diào)制分為兩大類。一類為功能型調(diào)制，調(diào)制區(qū)位于光纖內(nèi)，外界信號通過直接改變光纖的某些傳輸特征參量對光波實施調(diào)制。這類光纖傳感器稱為功能型（FunctionalFiber，簡稱FF型）或本征型光纖傳感器，也成為內(nèi)調(diào)制型傳感器，光纖同具“傳”和“感”兩種功能。于光源耦合的發(fā)射光纖同于光探測器耦合的接收光纖為一根連續(xù)光纖，稱為傳感光纖，故功能型光纖傳感器亦稱全光纖型或傳感型光纖傳感器。另一類為非功能型調(diào)制，調(diào)制區(qū)在光纖之外，外界信號通過外加調(diào)制裝置對進入光纖中的光波實施調(diào)制，這類光纖傳感器稱為非功能型（NonFunctionalFiber，簡稱NFF）或非本征型光纖傳感器，發(fā)射光纖與接收光纖僅起傳輸光波的作用，稱為傳光光纖，不具有連續(xù)性，故非功能型光纖傳感器也稱傳光型光纖傳感器或外調(diào)制光纖傳感器。

根據(jù)被外界信號調(diào)制的光波的物理特征參量的變化情況，可將光波的調(diào)制分為光強度調(diào)制、光頻率調(diào)制、光波長調(diào)制、光相位調(diào)制和偏振調(diào)制等五種類型。

由于現(xiàn)有的任何一種光探測器都只能響應(yīng)光的強度，而不能直接響應(yīng)光的頻率、波長、相位、和偏振調(diào)制信號都要通過某種轉(zhuǎn)換技術(shù)轉(zhuǎn)換成強度信號，才能為光探測器接收，實現(xiàn)檢測。

光纖傳感技術(shù)光強度調(diào)制型

光強調(diào)制是光纖傳感技術(shù)中相對比較簡單，用得最廣泛的一種調(diào)制方法。其基本原理是利用外界信號（被測量）的擾動改變光纖中光（寬譜光或特定波長的光）的強度（即調(diào)制），再通過測量輸出光強的變化（解調(diào)）實現(xiàn)對外界信號的測量。

光纖傳感技術(shù)相位調(diào)制型

光相位調(diào)制，是指外界信號（被測量）按照一定的規(guī)律使光纖中傳播的光波相位發(fā)生響應(yīng)的變化，光相位的變化量即反映被測外界量。

光纖傳感技術(shù)中使用的光相位調(diào)制大體有三種類型。一類為功能型調(diào)制，外界信號通過光纖的力應(yīng)變效應(yīng)、熱應(yīng)變效應(yīng)、彈光效應(yīng)及熱光效應(yīng)使傳感光纖的幾何尺寸和折射率等參數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光纖中的光相位變化，以實現(xiàn)對光相位的調(diào)制。第二類為薩格奈克效應(yīng)調(diào)制，外界信號（旋轉(zhuǎn)）不改變光纖本身的參數(shù)，而是通過旋轉(zhuǎn)慣性場中的環(huán)形光纖，使其中相向傳播的兩光束產(chǎn)生相應(yīng)的光程差，以實現(xiàn)對光相位的調(diào)制。第三類為非功能型調(diào)制，即在傳感光纖之外通過改變進入光纖的光波程差實現(xiàn)對光纖中光相位的調(diào)制。

光纖傳感技術(shù)偏振調(diào)制型

偏振調(diào)制，是指外界信號（被測量）通過一定的方式使光纖中光波的偏振面發(fā)生規(guī)律性偏轉(zhuǎn)（旋光）或產(chǎn)生雙折射，從而導(dǎo)致光的偏振特性變化，通過檢測光偏振態(tài)的變化即可測出外界被測量。

光纖傳感技術(shù)波長調(diào)制型

外界信號（被測量）通過選頻、濾波等方式改變光纖中傳輸光的波長，測量波長變化即可檢測到被測量，這類調(diào)制方式稱為光波長調(diào)制。

目前用于光波長調(diào)制的方法主要是光學(xué)選頻和濾波。傳統(tǒng)的光波長調(diào)制方法主要有F-P干涉式濾光、里奧特偏振雙折射濾光及各種位移式光譜選擇等外調(diào)制技術(shù)。近20多年來，尤其近幾年迅速發(fā)展起來的光纖光柵濾光技術(shù)為功能型光波長調(diào)制技術(shù)開辟了新的前景。

光纖傳感技術(shù)頻率調(diào)制型

光頻率調(diào)制，是指外界信號（被測量）對光纖中傳輸?shù)墓獠l率進行調(diào)制，頻率偏移即反映被測量。目前使用較多的調(diào)制方法為多普勒法，即外界信號通過多普勒效應(yīng)對接收光纖中的光波頻率實施調(diào)制，是一種非功能型調(diào)制。

⑴高靈敏度，抗電磁干擾。由于光纖傳感器檢測系統(tǒng)很難受到外界場的干擾，且光信號在傳輸中不會與電磁波發(fā)生作用，也不受任何電噪聲的影響，由于這一特征，光纖傳感器在電力系統(tǒng)的檢測中得到了廣泛應(yīng)用。

⑵光纖具有很好的柔性和韌性，所以傳感器可以根據(jù)現(xiàn)場檢測需要做成不同的形狀。

⑶測量的頻帶寬、動態(tài)響應(yīng)范圍大。

⑷可移植性強，可以制成不同的物理量的傳感器，包括聲場、磁場、壓力、溫度、加速度、位移、液位、流量、電流、輻射等。

⑸可嵌入性強，便于與計算機和光纖系統(tǒng)相連，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的遙測和控制。

光纖傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程檢測中的應(yīng)用

鋼筋混凝土是目前非常廣泛應(yīng)用的材料，將光纖材料直接埋入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)或粘貼在表面，是光纖的主要應(yīng)用形式，可以檢測熱應(yīng)力和固化、撓度、彎曲以及應(yīng)力和應(yīng)變等?；炷猎谀虝r由于水化作用會在內(nèi)部產(chǎn)生一個溫度梯度，如果其冷卻過程不均勻。熱應(yīng)力會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，采用光纖傳感器埋入混凝土可以監(jiān)測其內(nèi)部溫度變化，從而控制冷卻速度。

混凝土構(gòu)件的長期撓度和彎曲是人們感興趣的一個力學(xué)問題，為此已研制出能測量結(jié)構(gòu)彎曲和撓度的微彎應(yīng)變光纖傳感器，并用一根光纖連接整個結(jié)構(gòu)不同位置上的傳感器進行同時監(jiān)測，每個傳感器的位置可用OTDR來識別。光纖傳感器還能探測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷。在正常荷載作用下，由于鋼筋阻止干化收縮或溫度引起的體積變化都會引起裂縫，裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展可以通過埋入的光纖中光傳播的強度變化而測得。

光纖傳感技術(shù)在橋梁檢測中的應(yīng)用

橋梁是一個國家的經(jīng)濟命脈，橋梁的建造和維護是一個國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要部分。利用光纖傳感器測量振動，主要可得到橋梁的振動響應(yīng)參數(shù)如頻率、振幅等，其方法是：將信號光纖粘貼于橋梁內(nèi)部，它隨著橋梁的振動而產(chǎn)生振動響應(yīng)， 輸出光的相位作周期性的變化，則光電探測器接收到的光強也作周期性的變化。

成功的案例有：加拿大在1993年將光纖傳感器預(yù)裝到一座碳纖維預(yù)應(yīng)力混凝土公路橋上，在橋開通后連續(xù)監(jiān)測了8個月，測量了混凝土內(nèi)部的整體分布應(yīng)變，并用動態(tài)規(guī)化理論處理數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確而又快速的評估了橋梁的使用狀態(tài)及壽命。1996年，美國海軍實驗研究中心研制了新墨西哥州I -10橋健康檢測系統(tǒng)，它由60個FBG傳感器組成，可實現(xiàn)動態(tài)與靜態(tài)應(yīng)變測量。

光纖傳感技術(shù)在巖土力學(xué)與工程中的應(yīng)用

巖土工程檢測具有長時效性、環(huán)境復(fù)雜、具有時空限制、施工環(huán)境制約等特點，其檢測工作一直是等待解決的難題。目前已有的常規(guī)的測試技術(shù)在長期的工程應(yīng)用中表明，滿足上述測試要求十分困難。而由于光纖傳感器體積小、質(zhì)量輕、不導(dǎo)電、反應(yīng)快、抗腐蝕等諸多優(yōu)良特性，使用它成為巖土力學(xué)工程的檢測工具成為學(xué)者們的研究對象。下面列舉一例成功應(yīng)用光纖傳感器檢測巖土工程的成功案例：

三峽大壩壩前水溫監(jiān)測

三峽大壩壩體內(nèi)部靠近上游面埋設(shè)有點式溫度計，因埋設(shè)點位于壩體內(nèi)，所測溫度與實際庫水溫度存在一定的差異。為了能更真實地反映庫水溫度的變化規(guī)律，長江科學(xué)院結(jié)合壩前水溫觀測的實際現(xiàn)狀，在左廠14-2壩段布設(shè)1條測溫垂線，采取光纖Bargg光柵溫度傳感器進行監(jiān)測，通過實際工程應(yīng)用，光纖Bargg光柵溫度傳感器測量水溫，可以滿足水溫監(jiān)測的要求，且與水銀溫度計直接測量水溫相比，結(jié)果較好。

光纖傳感技術(shù)在軍事上的應(yīng)用

光纖傳感技術(shù)在軍事上同樣應(yīng)用廣泛。光纖陀螺儀經(jīng)過30多年的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用與民航機，無人機，導(dǎo)彈的定位和控制中。光纖水聽器可以用于船舶軍艦收集聲音，探測越來越先進的潛艇。且近幾年來，基于光纖傳感技術(shù)的光纖網(wǎng)絡(luò)安全警戒系統(tǒng)開始在邊防及重點區(qū)域防衛(wèi)中得到推廣應(yīng)用。目前，世界上發(fā)達(dá)國家使用的安全防衛(wèi)系統(tǒng)就是基于分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全防衛(wèi)技術(shù)。

石油和天然氣：油藏監(jiān)測井下的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、電力電纜、渦輪機運輸、煉油廠；

航空航天：噴氣發(fā)動機、火箭推進系統(tǒng)、機身；

民用基礎(chǔ)建設(shè)：橋梁、大壩、道路、隧道、滑坡；

交通運輸：鐵路監(jiān)控、運動中的重量、運輸安全；

生物醫(yī)學(xué)：醫(yī)用溫度壓力、顱內(nèi)壓測量、微創(chuàng)手術(shù)、一次性探頭。

光纖光柵傳感器

光纖光柵傳感器是目前國內(nèi)研究的熱點之一。FBG傳感器具有靈敏度高，易構(gòu)成分布式結(jié)構(gòu)，在一根光纖內(nèi)可實現(xiàn)多點測量。滿足“智能結(jié)構(gòu)”對傳感器的要求，可對大型構(gòu)件進行實時安全監(jiān)測；也可以代替其他類型結(jié)構(gòu)的光纖傳感器，用于化學(xué)、壓力和加速度傳感中。但是溫度、應(yīng)力交叉敏感是其實用化的最大限制。

目前，隨著實用、廉價的波長解調(diào)技術(shù)進一步發(fā)展完善，光纖光柵傳感技術(shù)已經(jīng)向成熟階段接近，部分也已經(jīng)商用化。但在性能和功能方面需要提高。

陣列復(fù)用傳感系統(tǒng)

列陣復(fù)用傳感系統(tǒng)將單點光纖傳感器陣列化，實現(xiàn)空間多點的同時或分時傳感，也稱為準(zhǔn)分布式系統(tǒng)。目前，應(yīng)用最為廣泛的是光纖光柵陣列傳感和基于干涉結(jié)構(gòu)的陣列光纖傳感系統(tǒng)。

陣列化光纖傳感的優(yōu)點是可以實現(xiàn)大范圍、長距離多點傳感，是大規(guī)模光纖傳感的一個重要發(fā)展趨勢。陣列化的發(fā)展方向也對各個傳感元的靈敏度、穩(wěn)定性、批量制作可重復(fù)性、解調(diào)的快捷準(zhǔn)確等提出新的要求。

分布式光纖傳感系統(tǒng)

分布式光纖傳感系統(tǒng)是根據(jù)沿線光波分布參量，同時獲取在傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時間和空間變化的被測量的分布信息，可以實現(xiàn)長距離、大范圍的連續(xù)、長期傳感。

智能化光纖傳感系統(tǒng)

目前光纖傳感的智能化主要體現(xiàn)在光纖傳感與通信技術(shù)及計算機技術(shù)的融合，實現(xiàn)各種功能的智能化，實現(xiàn)信號獲取、存儲、傳輸、處理于一體。智能化光纖傳感系統(tǒng)在許多新型應(yīng)用領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，如智能材料、環(huán)境感知、聲發(fā)射檢測、石油測井等?；诠饫w傳感的智能材料可以實現(xiàn)對周圍環(huán)境變化的自判斷性、自適應(yīng)性、自診斷性、自修復(fù)性等諸多性能，在汽車工業(yè)、航空航天、醫(yī)療、安防、體育及土木工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。