一文深度了解光纖傳感器的應用場景

文章轉自傳感器技術，作者：法拉第

光纖傳感器與測量技術是當今傳感器技術領域新的發展引應用，其測量用的光纖傳感器有很多種類，有很多種工作方式。國內市場上光纖傳感器應用主要在以下四種：光纖陀螺、光纖光柵傳感器、光纖電流傳感器和光纖水聽器。下面對這四種產品分別介紹一下。

光纖傳感器應用種類

一、光纖陀螺。

光纖陀螺按原理可分為幹涉型、諧振型和布裡淵型，這是三代光纖陀螺的代表。第一代幹涉型光纖陀螺，目前該項技術已經成熟，適合進行批量生產和商品化；第二代諧振型光纖陀螺，暫時還處於實驗室研究向實用化推進的發展階段；第三代布裡淵型，它還處於理論研究階段。

光纖陀螺結構根據所採用的光學元件有三種實現方法：小型分立元件系統、全光纖系統和集成光學元件系統。目前分立光學元件技術已經基本退出，全光纖系統用在開環低精度、低成本的光纖陀螺中，集成光學器件陀螺由於其工藝簡單、總體重複性好、成本低，所以在高精度光纖陀螺很受歡迎，是其主要實現方法。

二、光纖光柵傳感器

目前國內外傳感器領域的研究熱點之一光纖布拉格光柵傳感器。傳統光纖傳感器基本上可分為兩種類型：光強型和幹涉型。光強型傳感器的缺點在於光源不穩定，而且光纖損耗和探測器容易老化；幹涉型傳感器由於要求兩路幹涉光的光強同等，所以需要固定參考點而導致應用不方便。

目前開發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上面兩種情況，其傳感信號為波長調製、復用能力強。在建築健康檢測、衝擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等應用中，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力學、太空飛行器、電力工業和化學傳感中有廣泛的應用。

三、光纖電流傳感器

電力工業的迅猛發展帶動電力傳輸系統容量不斷增加，運行電壓等級也越來越高，電流也越來越大，這樣測量起來就非常困難，這就顯現出光纖電流傳感器的優點了。在電力系統中，傳統的用來測量電流的傳感器是以電磁感應為基礎，這就存在以下缺點：它容易爆炸以至引起災難性事故；大故障電流會造成鐵芯磁飽和；鐵芯發生共振效應；頻率響應慢；測量精度低；信號易受幹擾；體積重量大、價格昂貴等等，已經很難滿足新一代數字電力網的發展需要。這個時候光纖電流傳感器應運而生。

四、光纖水聽器

光纖水聽器主要用來測量水下聲信號，它通過高靈敏度的光纖相干檢測，將水聲信號轉換為光信號，並通過光纖傳至信號處理系統進行識別。與傳統水聽器相比，光纖水聽器具有靈敏度高、響應帶寬寬、不受電磁幹擾等特點，廣泛用於軍事和石油勘探、環境檢測等領域，具有很大的發展潛力。光纖水聽器按原理可分為幹涉型、強度型、光柵型等。幹涉型光纖水聽器關鍵技術已經逐步發展成熟，在部分領域形成產品；光纖光柵水聽器則是當前研究的熱點，研究的關鍵技術涉及光源、光纖器件、探頭技術、抗偏振衰落技術、抗相位衰落技術、信號處理技術、多路復用技術以及工程技術等。

結合這幾種應用型的光纖傳感器種類，我們來看看在實際應用場景中的光纖傳感器

光纖傳感器在周界安防領域的應用

在眾多周界安防監控技術中，光纖傳感技術脫穎而出， 幾乎可以實現傳統傳感器所有的功能， 可以對位移、震動、壓力、溫度、速度、流量等各種物理量進行檢測，具有靈敏度高、無電磁輻射、動態範圍大、適應範圍廣等優點，是安防技術發展的主流方向。

在光纖傳感安防應用領域， 研製出了各種類型和各種功能的光纖探測器，成功地運用於各國政府、軍隊、銀行、機場、港口、石油公司、核電站等，涉及的領域包括：周界、管線、通信、市政、監獄安全監控等。

光纖傳感器在安防領域的應用主要在如下三個方面：

周界安全監控系統

軍事基地、核電站、邊境線等重要設施通常都地處環境惡劣的地域，氣候條件複雜，同時這些設施的周界安全等級比較高，而這些地方的基礎設施也比較差，甚至沒有野外供電的條件，這對周界安防系統提出了更高的要求。光纖周界安全監控系統有一款室外無源監控系統，可以將監控主機架設在監控室，通過引導光纜將傳感光纜受到的震動信息傳遞到監控中心，所有室外設備均為無源器件，無需野外供電，可以提供有效的周界安全監控。

管道安全監控系統

管道安全監控是一項艱巨而複雜的任務，管線因施工不當被破壞，造成重大汙染和經濟損失。常規的檢測方法是派人員沿管線巡查，也有採用一些傳統的監測手段，但實踐證明效果有限。光纖管道安全監控系統可以有效地解決上述問題，將傳感光纜沿管線埋設，通過光纖感受管線周圍的震動，並將此信息傳輸給監控主機進行分析、判斷，排除一般性幹擾，最終產生報警，告知值班人員管線出現事故的區域。該系統特別適用於化工廠和大型油庫中的石油管線安全監控，以及大型社區市政設施中的天然氣管線、電力管線和飲水管線等的安全監控。

骨幹光纜安全監控系統

骨幹光纜是現代通信的基礎和重要通道，光纜運營安全和信息內容安全關係著國民經濟和國家安全，因此骨幹光纜的安全監測就顯的十分重要。傳感的光時域反射儀(OTDR)雖然可以對光纖進行檢測，但它也有局限性，存在盲區，不能進行實時監測，特別是通過高科技手段不用折斷光纖就可以神不知鬼不覺地盜竊光纖中傳輸的信息，而傳統的監測手段是無法發現的。光纖骨幹光纜安全監控系統通過接入光纜豎井中的光纖，對整個光纜進行監控。當有不法分子企圖盜竊光纜內部的信息而觸碰光纜時，系統立即產生報警，可以有效地保證骨幹光纜的信息安全。該系統特別適用於政府大樓、軍事機關、銀行，以及機要和通信部門對骨幹光纜安全進行監控。

周界安防監控系統工作原理是基於多模光纖模式幹涉探測技術，其基本檢測原理如下：

光在多模光纖中產生一個隨機強度的光譜，形成光斑。如果光纖沒有受到外界擾動，則該光譜相對是不變的。當光纖受到外界擾動時，如：移動、振動或受到壓力時，這些光譜發生相應的改變，光纖檢測器可以檢測到光譜發生了變化，並可確定外界發生了什麼事件。

各種場合和領域的周界安防產品，既有防區式光纖傳感器，也有分布式定位光纖傳感器，形成適合於短、中、長三種周界系列監控系統。與其它類型的安防產品配合使用，如：紅外探測器、雷射掃描器、紅外冪簾等，採取由外到內的多層防護手段，可以為用戶提供全面安全、可靠的安全防護體系。

光纖傳感器在石油行業中的應用

在油田的開發過程中，人們需要知道在產液或注水過程中有關井內流體的持性與狀態的詳細資料，這就要用到石油測井，其可靠性和準確性是至關重要的。光纖傳感器可以克服在井下惡劣的環境諸如高溫、高壓、腐蝕、地磁地電幹擾下工作。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，在井筒中佔據空間極小。

以下分別對油田作業中，光纖傳感器能實現的檢測任務做介紹：

1、儲層參數監測

1）壓力監測

由於開發方案的需要，對油藏壓力的管理需要特別謹慎，這樣做的目的是減少因在低於泡點壓力的狀態下開採所造成的原油損失，減少在注氣過程中因油藏超壓將原油擠入含水層所造成的原油損失。

傳統的井下壓力監測採用的傳感器主要有應變壓力計和石英晶體壓力計，應變式壓力計受溫度影響和滯後影響，而石英壓力計會受到溫度和壓力急劇變化的影響。在壓力監測時，這些傳感器還涉及安裝困難、長期穩定性差等問題。

井下光纖傳感器沒有井下電子線路、易於安裝、體積小、抗幹擾能力強等優點，而這些正是井下監測所必需的。用布拉格光纖光柵傳感器實行井下監測，對溫度不敏感，最高工作溫度為300℃，最高測量壓力82MPa，在最高測量壓力下，對溫度的靈敏度極小，可以適用於井下的壓力監測。

2）溫度監測

分布式光纖溫度傳感器具有通過沿整個完井長度連續性採集溫度資料來提供一條監測生產和油層的新途徑的潛力。因為井的溫度剖面的變化可以與其它地面採集的資料（流量、含水、井口壓力等）以及裸眼測井曲線對比，從而為操作者提供有關出現在井下的變化的定性和定量信息。

傳統的測溫工具只能在任何給定時間內測量某個點的溫度，要測試全範圍的溫度，點式傳感器只能在井中來回移動才能實現，不可避免地對井內環境平衡造成影響。

光纖分布式溫度傳感器的優勢在於光纖無須在檢測區域內來回移動，能保證井內的溫度平衡狀態不受影響。而且由於光纖被置於毛細鋼管內，因此凡毛細鋼管能通達的地方都可進行光纖分布式溫度傳感器測試。

最廣泛地應用於井下監測應用的光纖傳感器之一就是拉曼反向散射分布式溫度探測器，這種方法已經在測量井筒溫度剖面（特別是在蒸汽驅井）中，得到了廣泛的應用。

目前的光纖溫度、壓力傳感器的最主要的缺點之一就是溫度壓力交叉敏感特性，如何消除或者利用這種交叉敏感特性是研究的熱點。

3）多相流監測

為了做好油藏監控和油田管理，最關鍵的環節是獲得生產井和注水井穩定可信的總流量剖面和各相流體的持率。然而，大多數油井分層開採，每層含水量不同，而且有時流速較大，給利用常規生產測井設備測量和分析油井的生產狀況帶來了巨大的困難。

光纖測量多相流有兩種方法，第一種是持氣率光纖傳感儀，該儀器能直接測量多相流中持氣率。其四個光纖探頭均勻地分布在井筒的橫剖面中，其空間取向方位可用一個集成化的相對方位傳感器準確測量，在氣液混合物中，通過探頭反射的光信號來確定持氣率和泡沫數量（這二者與氣體流量相關聯）。

此外，利用每個探頭的測量值來建立一種井中氣體流動的圖像，可以更好地了解多相流流型以及解釋在傾斜條件下這些流型固有的相分離。它提供的資料能直接測定和量化多相混合物中氣體和液體，能準確診斷井眼問題，並有助於生產調整。儀器通過了三口井的現場測試。

第二種是通過測量聲速來確定兩相混合流的相組分，因為混合流體的聲速與各單相流體的聲速和密度具有相關性，而這個相關性普遍存在於兩相氣/液和液/液混合流體系統中，同時也適用於多相混合流系統。根據混合流體的聲速確定各相流體的體積分數，就是測量流過流量計的各單相體積分數（即持率測量）。

某一流體相持率是否等於該相流動體積分數，取決於該相相對於其它相是否存在嚴重的滑脫現象。對於不存在嚴重滑脫的油水兩相混合流系統，可以用均勻流動模型進行分析；對於存在嚴重滑脫現象的流動狀態，則必須應用更完善的滑脫模型來解釋流量計測量的數據，才能準確地確定各相的流量。對於油水混合流體，流量計的長波長聲速測量可以確定各相體積分數（即持率），而不受流動非均質性（如層狀流動）的影響。

2、聲波測量

與過去相比，勘探開發公司如今面臨更大的風險和更複雜的鑽井環境，因此獲得準確的地層構造圖和油藏機理具有重要意義。

目前使用的地震測量方法，如拖曳等浮電纜檢波器組、臨時海底布放地震檢波器和井下電纜布放地震檢波器等，能提供目的產油區域的測量，但這些方法具有相對高的作業費用，不能下入井內或受環境條件的限制等，而且提供的圖像不全面、不連續，解析度不是很高，因此難於實現連續實時油藏動態監測。

基於光纖的井下地震檢波器系統能夠解決這些問題，它能提供整個油井壽命期間永久高解析度四維油藏圖像，極大方便了油藏管理。這種井下地震加速度檢波器能接收地震波，並將其處理成地層和流體前緣圖像。

永久井下光纖3分量地震測量具有高的靈敏度和方向性，能產生高精度空間圖像，不僅能提供近井眼圖像，而且能提供井眼周圍地層圖像，在某些情況下測量範圍能達數千英尺。它在油井的整個壽命期間運行，能經受惡劣的環境條件（溫度達175℃，壓力達100MPa），且沒有可移動部件和井下電子器件，被封裝在直徑2.5cm的保護外殼中，能經受強的衝擊和振動，可安裝到複雜的完井管柱及小的空間內。此外，該系統還具有動態範圍大和信號頻帶寬的特點，其信號頻帶寬度為3Hz～800Hz，能記錄從極低到極高頻率的等效響應。

3、雷射光纖核測井技術

雷射技術和光纖技術可以用於研製井下傳感器，用於在充有原油和泥漿等非透明流體的井中進行測井。

雷射光纖核傳感器是在光纖通信和光纖傳感器的基礎上產生的，它利用了光致損耗和光致發光等物理效應，比常規核探測器具有更多的優越性，是典型的學科交叉。光纖核測井技術，實際上就是在特定的環境下的核探測技術，其典型的優點為：

（1）可以針對不同的核探測的能級範圍，研製在該範圍的敏感探頭。

（2）因為應用了光致發光效應，可使探頭位於千米的井下，而光電倍增管由傳輸光纜相連置於井上，遠離了惡劣的井下環境（高溫高壓），從而延長其的使用壽命。

（3）光纖具有高速率、大容量傳輸能力，還能搭載其他井下儀器信號。

然而，雷射光纖核探測器也有缺點，主要表現在耐高溫和承受高壓的保護塗層、傳輸光纜的機械強度以及耐輻射的傳輸光纜低衰減損耗。

光纖傳感在電力安全領域的應用

電力系統是國家建設的基礎，是國民經濟的命脈所在，電力作為國家重要的能源供給設施，安全防範自是重中之重。

電力系統自動化建設和改造不斷發展完善，而電力系統是由發電、輸電、變電、配電和用電等環節組成，需對各個環節具備安全防範手段。

分布式光纖傳感技術，將整個長度範圍內的光纖均用作傳感器，探測在光纖敷設範圍內任意點的特定信息。

基於彈光效應和白光幹涉技術，開發的分布式光纖監測技術，可以實現電力系統從發電到輸變電整個電力供應環節的安全監控整體解決。

該技術從光纖振動傳感與溫度傳感兩方面著手，開發了針對電力系統應用性極強的系列產品。該技術利用了光纖本質是弱電器件的優點，對能源依賴小，野外布設方便，不怕雷擊電閃；利用了光纖是一種無源器件的優點，因此，防火、防爆，無電磁幹擾，更抗電磁幹擾，非常適合長距離、大範圍、難以人力全面監控的場合；利用了光纖本身不含金屬的特點，因此，在野外苛刻的自然環境中，不會腐蝕，不怕雨雪，甚至可用於溼地與海域。

無人值守電站

無人值守電站的安全，電力設施、設備的破壞情況屢有發生。 變電站園區周界入侵探測報警系統，成為保證變電站安全運行的最外層、最必要屏障。

光纖振動傳感技術採用光纖作為前端介質，同時通過光纖將前端信號傳輸至監控中心主機主，主機響應後通過電力專網向遠程調度中心或市局、上級機構傳輸信號，實現遠程實時監控。

高壓電塔安全監控系統

高壓電塔危險性極強，塔架附近一定區域都需作無人區隔離，保證一定的安全距離。

光纖振動傳感技術通過埋設在無人區高壓塔架周圍的光纜，或者綁紮在高壓塔架底部支架上的光纜，在有人員進入禁行區，或開始攀爬塔架的時候，第一時間進行報警。安保人員通過監控室顯示的塔架位置及時進行定位，並出動人員及早進行幹預。能有效將危險及早進行扼制。

輸電幹線安全監控

輸電線路是電網運行的命脈，它在輸送能源的同時又相當的脆弱，任何外力的破壞，都有可能造成大面積停電。外力破壞(如盜竊、施工)、環境汙染、自然災害一直是威脅電網安全的重大隱患，而對於地震、颱風、洪水等自然災害有可能造成的電網大面積癱瘓，目前還缺乏系統性研究和評估，沒有建立相應的預警機制。

利用光纖傳感技術對輸電線路進行安全監控，是採用沿輸電線路布設的光纖單芯定位等一系列創新技術，通過對輸電線路上發生的觸碰(或刮擦)光纜、接頭盒、光芯等擾動的實時監測，採集和分析信息，判定擾動發生的位置、類型、強度，以幫助線路維護人員及時發現輸電線路的破壞行為。該系統解決了當前輸電幹線安全缺乏有效監測手段的問題，不僅能夠在事件發生時實時監測、準確定位、智能分析，還可以實現對事故發生的預警，有效解決對線路損毀的預警監測，為安保人員提供告警、智能分析和輔助決策支持。

分布式溫度傳感監測

電廠與變電站電纜橋架、電纜隧道、電纜夾層、電纜溝、電纜豎井、開關設備、變壓器、電阻排等電力設備在長期的高壓中常因發熱而老化引起火災，經過多年來火災調查研究發現，大多數的火災事故都是由於溫度過高引起的。如果能夠在火災潛伏期溫度緩慢的上升過程中就能即時發現火災隱患並採取相應措施，無疑是最佳的防範時機。

傳統形式的火災探測系統其傳感部件通常是電磁式元件，而在電力行業的應用場合，設備上都有著高壓，它的周圍有很強的電磁幹擾，導致傳統的探測器誤報、漏報時常發生。

分布式光纖測溫傳感技術是目前國際上最先進的測溫技術。DTS分布式光纖溫度傳感器系統，能在整個連續的光纖上，以距離的連續函數形式，測量和顯示出光纖上各點的溫度值。這種技術只需一根光纖就可以測量十公裡距離的溫度。對於電力系統的溫度監測，分布式光纖溫度傳感系統是一種十分有效的監測設備。

它基於目前最先進的光纖、雷射和信號處理技術。採用光纖作為溫度信息採集的傳感器。通過測量入射雷射在光纖中不同距離處產生的散射波，測知沿光纖分布的各點的實時溫度信息。該系統專門應用於區域(多點、線性、面型)測溫，並可以實現對溫度引起的過熱、過冷、火情隱患等進行預判和報警。

綜上所述，光纖傳感技術可以整體解決電力行業各個環節從安全防範至安全生產的綜合安全監控，得到電力行業的廣泛重視，並開始被廣泛應用。

光纖傳感器在橋梁健康監測中的應用

隨著工業與交通運輸的發展，橋梁對交通運輸的發展具有重大影響，橋梁的跨度增加以及結構的複雜趨勢，使得其安全隱患受到大家更多的關注，因此我們需要對橋梁進行更好的健康監測。橋梁的健康監測實際上是通過對橋梁結構的無損檢測、實時監測橋梁的整體結構，對其損傷位置和程度進行診斷，為橋梁的維修以及管理提供幫助。

隨著光纖傳感技術用於複合材料的發展，把光纖傳感系統埋入水泥結構形成能夠感知應力和斷裂損傷的能力。光纖傳感器因為具有質量輕，結構小，信息量大，不受電磁幹擾，容易埋入結構等優點，可以對橋梁進行實時的監測和控制，從而實現對橋梁結構健康監測的目的。目前，最廣泛使用的是光纖光柵型傳感器，是橋梁健康監測系統的重要工具之一。

橋梁的結構健康監測系統，包括測量車輛荷載、溫度、撓度、應變、主梁振動、斜拉索振動六個子系統；

下面就幾個具體的橋梁健康監測系統進行簡單的介紹。

拉索應力監測系統

在斜拉索結構大橋中，大橋的主梁及通過的汽車荷載均由拉索承擔，拉索是特別容易產生損傷的結構，其壽命往往比橋梁其他構件的壽命都要短，因此要準確及時掌握拉索的內力及其變化特徵至關重要。

在天津的永和大橋的監測中，在44組拉索中每組拉索選擇1根作為監測對象布設傳感筋，總計44根智能索。

圖1 永和大橋的結構圖

如下圖2所示光纖光柵智能索內部的結構。其中36根索內只設2個光纖光柵應變傳感器，另外的8根索中除布設2個光纖光柵應變傳感器外還布設了1個溫度補償光纖光柵傳感器。在大橋的拉索檢測系統中選用了GFRP-OFBG複合智能筋，其具有精度高，解析度高，靈敏度強，反射率大於90%，最重要的是耐久性長達25年之久。

圖2 智能索內部結構

主梁應力監測系統

在橋面主梁的監測中，主梁上不僅要安設光纖光柵應力傳感器還要在特定的位置安裝光纖光柵溫度傳感器，並完成應變傳感器的溫度補償；對主梁結構的溫度場監測是為了將溫度場作為參數，研究溫度應力及溫度導致的結構動力特性變化。

圖3 主梁應力監測截面位置

如圖4所示，其中在I、VI截面上分別布設3個光纖光柵應變傳感器、1個光纖光柵溫度傳感器和1個絕對溫度補償傳感器；II、V截面上分別布設5個光纖光柵應變傳感器、1個光纖光柵溫度傳感器和1個絕對溫度補償傳感器。Ⅲ截面布設5個光纖光柵應變傳感器和2個光纖光柵溫度傳感器，Ⅳ截面布設5個光纖光柵應變傳感器和3個光纖光柵溫度傳感器。

圖4 主梁各截面上的傳感器布設位置

主梁截面的應變監測系統選用的是表面焊接式FRP-OFBG應變傳感器，如圖5所示。這種材料的優點是結構簡單、應變測試精度高、耐久性長的傳感器。

主梁溫度監測系統選用無應力影響光纖光柵溫度傳感器。其採用特殊方法封裝，即使埋入結構中也不受外界的應力變化的影響而只反映溫度變化，並且溫度靈敏度與精度高很高，可以很好的監測環境溫度與結構內溫度變化。

光纖傳感技術特別是光纖光柵型傳感技術在橋梁工程領域的顯著優勢，不僅給橋梁健康監測和安全評估注入了新的活力，而且還為橋梁實時監測的發展帶來了契機。

光纖傳感器在智能穿戴設備中的應用

如今，光纖傳感器的小型化，也被應用在智能穿戴設備上。長時間的久坐以及不正確的坐姿，在不知不覺中傷害著人們的身體健康。

智能坐墊的主要功能就是坐姿監測提醒。通過壓力傳感器和光纖傳感器，可以分辨出你現在的坐姿，識別出你是否前傾、後傾，是否久坐。當你長時間坐著或者坐姿不標準時，會通過配套的APP提醒你。另外，通過光纖傳感器，監測心跳、呼吸等數據，可以分析出你現在是否壓力過大，並給出建議。這一技術還可以將光纖傳感器植入到座椅、沙發甚至床墊中，也可以做成智能醫療產品，應用於健康監測領域。

光纖傳感技術不斷吸取光纖通信的新技術（如新的半導體光源、新型光纖）、新器件，在如今的物聯網時代也將有更廣闊的應用前景，全光物聯網有望在將來成為一種新的物聯網形式。