深度解讀光纖傳感器

文 | 傳感器技術（WW_CGQJS）

 

隨著現代科學技術的發展, 信息的獲得顯得越來越重要。傳感器正是感知、檢測、監控和轉換信息的重要技術手段。光纖傳感器是繼光學、電子學為一體的新型傳感器。

 

 

光纖傳感器是利用光導纖維的傳光特性，把被測量轉換為光特性（強度、相位、偏振態、頻率、波長）改變的傳感器。它是將來自光源的光經過光纖送入調製器，使待測參數與進入調製區的光相互作用後，導致光的光學性質（如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態等）發生變化，稱為被調製的信號光，在經過光纖送入光探測器，經解調後，獲得被測參數。

 

與以往的傳感器不同, 光纖傳感器將被測信號的狀態以光信號的形式取出。光信號不僅能被人所直接感知, 利用半導體二極體如光電二極體等小型簡單元件還可以進行光電、電光轉換, 極易與一些電子裝配相匹配,；另外光纖不僅是一種敏感元件, 而且是一種優良的低損耗傳輸線。因此, 光纖傳感器還可用於傳統的傳感器所不適用的遠距離測量。

 

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，是指外界信號按照其變化規律使光纖中傳輸的光波的物理特徵參量，如強度(功率)、波長、頻率、相位和偏振態等發生變化，測量光參量的變化即感知外界信號的變化。這種感知實質上是外界信號對光纖中傳播的光波實施調製。所謂傳輸,是指光纖將受外界信號調製的光波傳輸到光探測器進行檢測，將外界信號從光波中提取出來並按需要進行數據處理，也就是解調。

 

因此，光纖傳感技術包括調製與解調兩方面的技術,即外界信號(被測量)如何調製光纖中的光波參量的調製技術(或加載技術)及如何從已被調製的光波中提取外界信號(被測量)的解調技術(或檢測技術)。

 

光纖傳感器的基本原理

 

光纖( Optical Fiber) 是光導纖維的簡稱，光纖的主要成份為二氧化矽，由折射較高的纖芯、折射率較低的包層及保護層組成。纖芯為直徑大約0.1 mm 左右的細玻璃絲，把光封閉在其中並沿軸向進行傳播的導波結構。光纖傳感器的發現起源於探測光纖外部擾動的實踐，在實踐中，人們發現當光纖受到外界環境的變化時，會引起光纖內部傳輸光波參數的變化，而這些變化與外界因素成一定規律，由此發展出光纖傳感技術。

 

光纖對許多外界參數有一定的敏感效應。研究光纖傳感原理就是研究如何應用光纖的這些效應，研究光在調製區內與外界被測參數的相互作用，實現對外界被測參數的「傳」和「感」的功能，這是光纖傳感器的核心。

 

在光通信系統中，光纖被用作遠距離傳輸光波信號的媒質。顯然，在這類應用中，光纖傳輸的光信號受外界幹擾越小越好。但是，在實際的光傳輸過程中，光纖易受外界環境因素影響，如溫度、壓力、電磁場等外界條件的變化，將引起光纖光波參數如光強、相位、頻率、偏振、波長等的變化。因此，人們發現如果能測出光波參數的變化，就可以知道導致光波參數變化的各種物理量的大小，於是產生了光纖傳感技術。光纖傳感技術是用光纖對某些物理量的敏感特性，將外界物理量轉換成可以直接測量的信號的技術。由於光纖不僅可以作為光波的傳播媒質，而且由於光波在光纖中傳播時表徵光波的特徵參量(振幅、相位、偏振態、波長等)因外界因素(如溫度、壓力、應變、磁場、電場、位移、轉動等)的作用而直接或間接發生變化，從而也可將光纖用作傳感元件來探測各種物理量。

 

上圖是光纖傳感器的原理結構圖。光纖傳感器通常由光源、傳輸光纖、傳感元件或調製區、光檢測等部分組成。光強、波長、振幅、相位、偏振態和模式分布等參量在光纖傳輸中都可能會受外界影響而發生改變，特別如溫度、壓力、加速度、電壓、電流、位移、振動、轉動、彎曲、應變以及化學量和生物化學量等對光路產生影響時，都會使這些參量發生相應變化。光纖傳感器就是根據這些參量隨外界因素的變化關係來檢測各相應物理量的大小。

 

光纖傳感器的特點

 

與傳統的傳感器不同，光纖優良的物理、化學、機械以及傳輸性能，使光纖傳感器具有體積小、質量輕、抗電磁幹擾、防腐蝕、靈敏度很高、測量帶寬很寬、檢測電子設備與傳感器可以間隔很遠等優點，並可以構成傳感網絡。

 

先進的光纖傳感器的靈敏度比傳統的傳感器高几個數量級，可以測量的物理量已達70多種。總結起來它具有一下幾個優點：

 

1、精度高，響應速度快，線性特徵範圍寬，使用的重複性好，檢測信號的信噪比高，由於現在光纖的量產化，價格低廉，可以廣泛使用。

 

2、光纖是由電介質材料石英製成，傳輸的是光信號，因此安全性、可靠性好，抗電磁幹擾能力強，能適應在電力、石油、化工、冶金等易燃易爆或有毒的環境條件下工作。

 

3、抗腐蝕，抗汙染能力強，可用於溫差較大的地方，時間時間老化特性優良，工作壽命長。

 

4、體積小，重量輕，容易安裝，對被測對象環境適應能力強。

 

5、光纖是無源器件，自身獨立性好，不會破壞被測量的狀態。

 

6、測量對象廣泛。目前已有性能不同的多種測量溫度、壓力、位移、速度、液面、核輻射等各種物理量、化學量、生物量等的光纖傳感器。

 

7、便於多點復用、傳輸損耗小，適合於組成測量網絡，實現多點實時智能化的遙測。

 

光纖傳感器的分類及應用原理

 

根據調製區與光纖的關係，可將調製分為三大類：

 

傳光型光纖傳感器

 

傳光型光纖傳感器也稱非功能型光纖傳感器或強度調製型光纖傳感器，光纖主要起傳輸光波的作用，傳光型光纖傳感器主要由光源、光纖、光調製器、敏感元件、光電探測器、檢測電路等組成。傳光型光纖傳感器的基本原理是待測物理量引起光纖中的傳輸光光強I變化,通過光強I的檢測實現對待測物理量的測量。

 

強度調製的特點是簡單、可靠、經濟。強度調製的方式很多，主要有反射式強度調製(如圖1所示)和透射式強度調製(如圖2所示)

圖1　反射式強度調製原理圖

圖2　透射式強度調製原理圖

 

傳感型光纖傳感器

 

傳感型光纖傳感器也稱功能型光纖傳感器，光纖既傳光又傳感,即還充當敏感元件。對於傳感型光纖傳感器而言,當光在光纖中傳播時，被測物理量或外界因素作用在光纖上，使得光纖中傳輸光的振幅、相位、波長、偏振態等發生改變，此過程為光調製，調製後的光經光纖傳輸到光電探測器解調後轉換成電信號輸出。

 

傳感型光纖傳感器的原理比傳光型光纖傳感器的複雜得多，它利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將「傳」和「感」合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光強、相位、偏振態等光學特性的變化來實現「傳」和「感」的功能。此外，傳感器中光纖是連續的，由於光纖連續，增加其長度，可提高靈敏度。傳感型光纖傳感器應用最多的是相位調製型光纖傳感器或者幹涉型光纖傳感器，,即外界因素使光纖中傳輸光的相位變化，進而改變出射光(幹涉光)的強度變化來達到測量目的。

 

常用的幹涉型光纖傳感器有Michelson幹涉式光纖傳感器、Mach-Zehnder幹涉式光纖傳感器、Fabry-Perot(F-P)幹涉式光纖傳感器、Sagnac幹涉式光纖傳感器、Fizeau幹涉式光纖傳感器等。幹涉型光纖傳感器是高精度光纖傳感與測量技術的最佳選擇。

 

拾光型光纖傳感器

 

拾光型光纖傳感器該類傳感器用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖雷射都卜勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。

 

光纖傳感器按被測對象，又可分為光纖溫度傳感器、光纖位移傳感器、光纖濃度傳感器、光纖電流傳感器、光纖流速傳感器等。

 

光纖傳感器按被調製的光波參數不同又可分為光強調製光纖傳感器、相位調製光纖傳感器、偏振調製光纖傳感器和波長調製光纖傳感器。

 

振幅調製傳感型光纖傳感器

 

利用外界因素引起的光纖中光強的變化來探測物理量等各種參量的傳感器稱為振幅調製傳感型光纖傳感器。改變光纖中光強的方法有多種，而改變光纖的微彎狀態就是其中一種。光纖微彎傳感器就是利用光纖中的微彎損耗來探測外界物理量的變化。它是利用多模光纖在受到微彎時，一部分芯模能量會轉化為包層模能量這一原理，通過測量包層模能量或芯模能量的變化來測量位移或振動等。其原理圖如圖所示。

 

雷射束經擴束、聚焦輸入多模光纖。其中的非導引模由雜模濾除器去掉，然後在變形器作用下產生位移，光纖發生微彎的程度不同時，轉化為包層模式的能量也隨之改變。變形器由測微頭調整至某一恆定變形量；待測的交變位移由壓電陶瓷給出。實驗表明，該裝置靈敏度達0.6µV/A（它強烈依賴於多模光纖中的導引模式分布，高階模越多，越易轉化為包層模，靈敏度也就愈高），相當於最小可測試位移為0.01nm，動態範圍可望超過100dB。

 

相位調製傳感型光纖傳感器

 

利用外界因素引起的光纖中光波相位的變化來探測物理量等各種參量的傳感器稱為相位調製傳感型光纖傳感器。該類傳感器主要應用於製成幹涉儀，而光纖Sagnac幹涉儀就是其中典型的一種。

 

光纖Sagnac幹涉儀的基本原理是在由同一光纖繞成的光纖圈中沿反方向前進的兩光波，在外界因素作用下產生不同的相移。然後，通過幹涉效應進行檢測。其最典型的應用就是轉動傳感，及光纖陀螺。由於它沒有活動部件，沒有非線性效應和低轉速時雷射陀螺的閉鎖區，因而非常有希望製成高性能低成本的器件。

 

下圖是光纖Sagnac幹涉儀的原理圖。用一長為L的光纖，繞成半徑為R的光纖圈。一雷射束由分束鏡分成兩束，分別從光纖兩個端面輸入，再從另一端面輸出。兩輸出光疊加後將產生幹涉效應，此幹涉光強由光電接收器檢測。

1為雷射器；2為光探測器；3為光纖圈

 

 

偏振態調製型光纖傳感器

 

 

1為雷射器；2為起偏器；3為物鏡；4為傳輸光纖；5為傳感光纖；6為電流導線；

7為光探測器；8為偏振稜鏡；9為信號處理單元

 

 

波長調製型光纖傳感器

 

利用外界因素引起的光纖中光波波長的變化來探測物理量等各種參量的傳感器稱為波長調製傳感型光纖傳感器。光纖光柵傳感器是一種典型的波長調製型光纖傳感器。

 

光纖傳感器按被測對象，又可分為光纖溫度傳感器、光纖位移傳感器、光纖濃度傳感器、光纖電流傳感器、光纖流速傳感器等。

 

光纖傳感器技術熱點

 

當前光纖傳感器的研究熱點集中於光纖光柵（FBG和LPG）型傳感器和分布式光纖傳感系統兩大板塊。

 

FBG型光纖傳感器自發明之日起，已走過了原理性研究和實驗論證階段。目前成熟的FBG製作工藝已可形成小批量生產能力，而研究的焦點也轉向解決高精度應用，完善解調和復用技術，以及降低成本等幾個方向上。另一方面，由於光纖傳感器具有將傳輸與傳感媒質合而為一的特性，使得沿布設路徑上的光纖可全部成為敏感元件，因此，分布式傳感成為光纖傳感器與生俱來的優點。

 

光纖布拉格光柵

 

光纖布拉格光柵FBG於1978年問世，這種簡單的固有傳感元件，可利用矽光纖的紫外光敏性寫入光纖芯內，下圖為光纖光柵的基本原理。

 

 

常見的FBG傳感器通過測量布拉格波長的漂移實現對被測量的檢測，當寬譜光源入射到光纖中，光柵將反射其中以布拉格波長為中心波長的窄譜分量。光纖光柵除了具備光纖傳感器的全部優點之外，還擁有自定標和易於在同一根光纖內集成多個傳感器復用的特點。

 

 

光柵傳感器可拓展的應用領域有許多，如將分布式光纖光柵傳感器嵌入材料中形成智能材料，可對大型構件的載荷、應力、溫度和振動等參數進行實時安全監測；光柵也可以代替其它類型結構的光纖傳感器，用於化學、壓力和加速度傳感中。

 

長周期光柵是指周期大於100mm的光柵，也是繼FBG之後光纖光柵型傳感器的另一個重要分支。由於測量利用包層膜耦合的原理，使其同時具備靈敏度優良和製作簡便的優勢。

 

 

光纖光柵的其它分支還包括啁啾光柵、斜光柵等。

 

分布式光纖傳感系統

 

在世界範圍內，由於對工民建和工業設施安全性和效益要求的不斷提高，對集成的安全檢測系統的需求逐步攀升。具備可連續、無間斷、長距離測量並與被測量介質有極強的親和性的分布式光纖傳感系統似乎正是為此而量身定做的。

 

分布式光纖傳感系統通常有三種類型：拉曼型、布裡淵型和FBG型。

 

拉曼型分布式光纖傳感系統是基於光纖拉曼散射效應的連續型傳感器，其工作原理見圖6。三種類型的傳感系統的應用都已見諸於報導。其中尤以拉曼型分布式傳感系統最為成熟，已成功地裝載於A340運輸機上。

 

 

FBG型分布式傳感系統在應力多點分布式測量中有獨到的優點，並可同時完成溫度和應力的雙參量測量，為FBG應用開闢了更為廣闊的前景。

 

光纖傳感器應用技術類型

 

光纖傳感器的應用開發根據當前的應用熱點領域和技術類型可大致分為四個大的方向：光（纖）層析成像分析技術OCT、光纖智能材料（SMART MATERIAL）、光纖陀螺與慣導系統、以及常規工業工程傳感器。

 

光層析成像技術

 

光纖層析成像分析技術根據不同的原理和應用場合，可將光纖層析技術分為光相干層析成像分析(OCT)和光過程層析成像分析技術(OPT)。

 

光層析成像技術源於X射線層析成像分析（CT）。當X射線或光線傳輸經過被測樣品時，不同的樣品材料對射線的吸收特性有不同，因此對經過樣品的射線或光線進行測量、分析，並根據預定的拓撲結構和設計進行解算就可以得到所需要的樣品參數。

 

 

光纖相干層析成像技術（OCT）主要應用於生物、醫學、化學分析等領域，如視網膜掃描、胃腸內視和用於實現彩色都卜勒(CDOCT)血流成像等。其工作原理基於光的相干檢測原理，基本系統結構如圖所示。

 

 

OCT為生物細胞和機體的活性檢測提供了一種有效的方式，世界上有許多國家都開發出相應的產品。圖11為視網膜的CT掃描圖像。德國的科學家近期推出了一臺可用作皮膚癌診斷的OCT設備。此外，利用OCT可以實現深度測量（~1mm）的優勢，已有實例應用於對生長中的細胞進行觀察和監測中。

 

而OPT則面向工業工程－油井、管線等場所，高精度地解決流體的過程測量問題。由於OPT所關心的是光線路徑上的積分過程，因此相關的系統集成設計、測量理論分析中的單元分割與信號處理都是關鍵。由於OPT具有適用於狹小的或不規則的空間、安全性高、測量區域不受電磁幹擾以及可組成測量網絡的多項長處，為工業過程的安全測量提供了一種優良的手段。

 

智能材料

 

智能材料的提出和研究已有相當長的一段時間，為業內人士所熟悉。智能材料是指將敏感元件嵌入被測構件機體和材料中，從而在構件或材料常規工作的同時實現對其安全運轉、故障等的實時監控。其中，光纖和電導線與多種材料的有效結合是關鍵問題之一，尤其是實現與紡織材料的自動化編織。

 

智能材料作為橋梁、大壩等混凝土大型建築的監測系統已在國外多處工程中通過安裝測試並付諸應用。此外，智能材料在航空航天領域的應用也日趨廣泛，尤其是採用光纖光柵和光纖分布式應力、溫度測量系統進行惡劣環境條件－高溫、變形的多參量監測取得了明顯的效果。

 

 

光纖陀螺及慣性導航系統

 

從1980到1990年的十年中，對系統誤差因子和光纖器件的研究取得了顯著的進展，新型的SLD光源、保偏光纖及耦合器的採用，以及特殊的繞制技術為陀螺的實用化鋪平了道路。上世紀90年代，中級的I-FOG由於採用了消偏結構、3軸I-FOG、EDFA光源等新型光纖器件和技術，實現了成本降低、體積減小和性能提高目的，並率先在航天及軍事領域獲得應用。例如，美國Honeywell公司為美國軍方製造的用於直升機的三軸慣導系統直徑僅為86mm。國際上有些高性能光纖陀螺的漂移指標已達到0.001°/hr，許多產品已經投入民用飛機和汽車工業。未來光纖陀螺在工業領域應用還有更廣闊的天地。

 

 

工業工程類傳感器

 

傳統的工業工程類傳感器包括應用光纖的電光和磁光效應進行測量的電力工業用大電壓、電流傳感器。利用光纖的彈光效應和FBG器件的應力傳感器已被廣泛應用於應力監測中。在許多特殊場合－核工業、化工和石油鑽探中都應用了監測傳感系統。光纖傳感器系統正日益走向成熟，並逐步融入日常的生產和生活之中。

 

 

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