光纖傳感器及其應(yīng)用

彭利標(biāo)，田 野，李冰玉，王奉良

（天津理工大學(xué) 中環(huán)信息學(xué)院，天津 300380）

自光纖技術(shù)在電信行業(yè)應(yīng)用取得重大突破之后，該技術(shù)又展示了在工業(yè)和環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。自20世紀(jì)70年代末光纖傳感器誕生以來(lái)，因其具有耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。光纖傳感器幾乎對(duì)任何物理或化學(xué)現(xiàn)象都具有敏感作用，所以它可用來(lái)完成在易燃易爆、高溫高壓、化學(xué)腐蝕、原子輻射、狹小空間等惡劣環(huán)境中的測(cè)量任務(wù)。光纖傳感器還具有質(zhì)量輕、體積小、絕緣、可繞曲性好等特點(diǎn)，幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，且具有與光纖遙測(cè)技術(shù)的內(nèi)在相容性，可以制成任意形狀的光纖傳感器，測(cè)量對(duì)象廣泛、復(fù)用性好、成本低等特點(diǎn)。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖傳感器取代傳統(tǒng)的機(jī)電式傳感器已是大勢(shì)所趨[1]。

1 光纖傳感器結(jié)構(gòu)組成及工作原理

光纖傳感器由光源、入射光纖、出射光纖、敏感元件、光調(diào)制器、光探測(cè)器、信號(hào)處理等部分組成，如圖1所示。將來(lái)自光源的光波經(jīng)入射光纖送入被測(cè)對(duì)象區(qū)域（調(diào)制區(qū)）時(shí)，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用，導(dǎo)致光波的特征參量（強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)、干涉效應(yīng)等）會(huì)由于被測(cè)參量（溫度、壓力、應(yīng)變、電磁場(chǎng)等）對(duì)光纖的作用而發(fā)生變化，使光波成為被調(diào)制的信號(hào)光，經(jīng)輸出光纖送入光探測(cè)器，通過(guò)解調(diào)而獲得被測(cè)參數(shù)，經(jīng)信號(hào)處理電路顯示檢測(cè)結(jié)果[2]。

圖1 光纖傳感器的基本原理圖Fig.1 Basic schematic diagram of an optical fibar sensor

光纖傳感器種類很多，目前已有40多種測(cè)量對(duì)象的幾百種光纖傳感器，按其傳感原理總體可分為兩大類：一類是利用光纖本身的某種敏感特性制成的傳感型光纖傳感器，如圖2（a）所示，它的光纖對(duì)被測(cè)信號(hào)兼有敏感和傳輸?shù)碾p重作用；另一類稱為傳光型光纖傳感器，它的光纖僅起傳輸光信號(hào)的作用，而對(duì)被測(cè)參量的感知是利用其他光敏感元件來(lái)完成，通常是在光纖端面或中間位置加裝敏感元件來(lái)感受被測(cè)量的變化，其結(jié)構(gòu)如圖 2（b）所示[3-4]。

圖2 光纖傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Fiber optic sensor structure

按光波在光纖中被調(diào)制原理可分為：光強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型等幾種形式，強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器主要有反射式強(qiáng)度調(diào)制和透射式強(qiáng)度調(diào)制，基于光纖布喇格（FBG）光柵透射或反射傳感器系統(tǒng)示意圖如圖3所示。當(dāng)從光源發(fā)出的入射光施加到光纖布喇格光柵時(shí)，從光柵反射的光波長(zhǎng)λB=2neff∧G，其中neff是光纖對(duì)傳輸光的有效折射率，∧G是光柵的折射率調(diào)制周期。當(dāng)光纖外部施加機(jī)械應(yīng)力或熱擾動(dòng)時(shí)，光纖的折射率做周期性變化，從光柵反射的光譜取決于折射率調(diào)制的間距∧G和折射率，應(yīng)變力場(chǎng)直接影響光纖光柵的響應(yīng)，通過(guò)∧G擴(kuò)展和壓縮，以及通過(guò)應(yīng)變電光效應(yīng)，玻璃中折射率的變化將引起應(yīng)變誘導(dǎo)變化。FBG對(duì)溫度的敏感性主要是由于熱光效應(yīng)，即纖維的熱膨脹系數(shù)，溫度變化將引起玻璃的折射率變化。波長(zhǎng)λB的變化量ΔλB引起應(yīng)變?chǔ)藕蜏囟圈變化，式（1）是波長(zhǎng)的相對(duì)變化量與溫度變化量關(guān)系式。

圖3 基于布喇格光柵透射或反射傳感器系統(tǒng)示意圖Fig.3 Basic Bragg grating-based sensor system with transmitted or reflective detection options

式中，Pe是應(yīng)變光學(xué)系數(shù)，αs和αf分別是纖維粘結(jié)材料和纖維本身的熱膨脹系數(shù)，ζ是熱光系數(shù)。由于光纖光柵可以被寫入到具有不同的共振波長(zhǎng)，它們可以被做成不同形狀的壓力或溫度傳感器，可以測(cè)定沿光纖長(zhǎng)度方向上不同的位置。利用這種能力，光柵傳感器已被用于土木結(jié)構(gòu)、飛機(jī)、海軍艦艇、石油管道等，利用這種“智能皮膚”傳感器網(wǎng)來(lái)測(cè)量這些結(jié)構(gòu)上的溫度和壓力。在接近室溫的溫度下，電信波長(zhǎng)隨溫度而變化約為10 pm/0C[5]。

2 光纖傳感器的應(yīng)用

光纖傳感器的應(yīng)用幾乎涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的所有重要領(lǐng)域，20世紀(jì)90年代，占光纖傳感器市場(chǎng)份額最大的是生產(chǎn)流水線控制、航空和制藥行業(yè)的應(yīng)用。近些年，人們也發(fā)現(xiàn)了光纖傳感器在其他方面的應(yīng)用在逐年增長(zhǎng)，這都?xì)w功于分布式傳感器和多路技術(shù)的快速發(fā)展，如用于健康檢查、化學(xué)與生物傳感等。尤其是光纖傳感器可以安全有效地在惡劣環(huán)境中使用，解決了許多行業(yè)多年來(lái)一直存在的技術(shù)難題。

1）光纖傳感器在電力系統(tǒng)的應(yīng)用

電力系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜、分布范圍廣的龐大輸配電系統(tǒng)，在高壓電網(wǎng)和電力通信系統(tǒng)中可能存在著各種難以預(yù)知的隱患，因此對(duì)系統(tǒng)內(nèi)高壓電纜溫度和應(yīng)變、輸送電功率、通信光纜狀態(tài)等進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè)是非常重要的。分布式光纖傳感技術(shù)是最能體現(xiàn)光纖分布優(yōu)勢(shì)的傳感測(cè)量方法，它是基于光纖工程中廣泛應(yīng)用的光時(shí)域反射（OTDR）技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感技術(shù)。分布式光纖傳感器具有抗電磁干擾、工作頻率寬、動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地測(cè)出光纖沿線上任一點(diǎn)被測(cè)量場(chǎng)在時(shí)間和空間上的應(yīng)力、溫度、振動(dòng)和損傷等分布信息，且不需要構(gòu)成回路。如果能在高壓電纜上并行鋪設(shè)傳感光纜，對(duì)電力系統(tǒng)的電纜、支撐塔等設(shè)施的溫度、壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，就能夠做到及時(shí)排除險(xiǎn)情，盡可能減少經(jīng)濟(jì)損失，2008年湖南電力抗冰救災(zāi)就是一個(gè)非常好的實(shí)例。目前，國(guó)外（主要是英國(guó)、日本等）已利用激光喇曼光譜效應(yīng)研制出分布式光纖溫度傳感器產(chǎn)品。而國(guó)內(nèi)也在積極開(kāi)展這方面的研究工作[6]。

近年來(lái)光纖傳感器在低碳領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用，在風(fēng)力發(fā)電中，光纖傳感工藝開(kāi)始用于檢測(cè)和優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電風(fēng)輪系統(tǒng)。作為發(fā)展最快的清潔能源工藝，風(fēng)輪的尺寸越來(lái)越大，這些巨大體積的風(fēng)輪又是安裝在比較遙遠(yuǎn)的風(fēng)口地帶，監(jiān)控工程師需要實(shí)時(shí)了解這些風(fēng)輪的狀態(tài)，光纖傳感器就能發(fā)揮其功效，幫助工程師了解風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組的運(yùn)行情況[7]。

2）光纖傳感器在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

醫(yī)用光纖傳感器目前主要是傳光型結(jié)構(gòu)，以其小巧、絕緣、不受射頻和微波干擾、測(cè)量精度高及與生物體親合性好等優(yōu)點(diǎn)備受青睞。光纖傳感器的小尺寸在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是非常有意義的，光纖光柵傳感器是目前能夠做到最小的傳感器，它對(duì)人體組織的損害非常之小，足以避免對(duì)正常醫(yī)療過(guò)程的干擾。光纖光柵傳感器能夠通過(guò)最小限度的侵害方式對(duì)人體組織功能進(jìn)行內(nèi)部測(cè)量，提供有關(guān)溫度、壓力、血流速度、pH值和聲波場(chǎng)的精確局部信息。

此外，光纖傳感器還可應(yīng)用于醫(yī)用圖像傳輸，醫(yī)用內(nèi)窺鏡就是具體的實(shí)例。醫(yī)用內(nèi)窺鏡由末端的物鏡、光纖圖像導(dǎo)管、頂端的目鏡和控制手柄等組成。照明光通過(guò)圖像導(dǎo)管外層光纖照射到被觀測(cè)物體上，反射光通過(guò)傳像光纖束輸出。由于光纖柔軟、自由度大，末端通過(guò)手柄控制偏轉(zhuǎn)來(lái)觀測(cè)不同的位置信息，而且光纖傳輸圖像失真小，因此，它是檢查和診斷人體內(nèi)部各種疾病和進(jìn)行某些外科手術(shù)的重要儀器[8]。

3）光纖傳感器應(yīng)用于土木工程

在土木工程領(lǐng)域內(nèi)，將光纖傳感器作為一種新型應(yīng)變傳感器，可用來(lái)測(cè)量混凝土結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)部應(yīng)力。光纖傳感器可黏貼在結(jié)構(gòu)物表面，也可通過(guò)預(yù)埋實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物內(nèi)部物理量的測(cè)量。利用預(yù)埋的光纖傳感器對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷過(guò)程應(yīng)變的測(cè)量，再根據(jù)荷載—應(yīng)變關(guān)系曲線斜率，可確定結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷的形成和擴(kuò)展方式。通過(guò)對(duì)混凝土測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，光纖測(cè)試的載荷—應(yīng)變曲線比應(yīng)變片測(cè)試的線性度高。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)全方位、長(zhǎng)期檢測(cè)，就要解決光纖傳感器的布設(shè)問(wèn)題，為了防止對(duì)傳感器造成施工損傷，可采用以下方法對(duì)光纖傳感器進(jìn)行保護(hù)：①將光纖傳感器套一金屬導(dǎo)管后一起置于混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土澆筑后，在混凝土固結(jié)前將金屬導(dǎo)管取出，這樣光纖光柵傳感器與混凝土很好地固結(jié)在一起，而且不會(huì)因?yàn)闈仓^(guò)程損壞傳感器。②將光纖光柵傳感器直接粘貼在鋼筋上，或在鋼筋表面開(kāi)一個(gè)小凹槽，使光柵的裸纖芯部分嵌進(jìn)凹槽得以保護(hù)，或在建造橋梁時(shí)把光纖傳感器埋進(jìn)復(fù)合筋。③將光纖光柵直接埋入小型預(yù)制構(gòu)件中，然后把小型預(yù)制構(gòu)件作為大型構(gòu)件的一部分埋入，外部荷載通過(guò)預(yù)制件傳遞到光纖光柵傳感器上[9-10]。

4）光纖圖像傳感器

光纖圖像傳感器是采用按一定規(guī)則排列的傳像束（光纖束）來(lái)傳輸圖像的，如圖4所示。每個(gè)傳像束包含數(shù)萬(wàn)條甚至幾十萬(wàn)條直徑為10～20 μm的光纖。在一條傳像束中，每一條光纖傳送一個(gè)像素信息。用傳像束可對(duì)圖像進(jìn)行傳遞、分解、合成和修正。傳像束式的光纖圖像傳感器在醫(yī)療、工業(yè)和軍事等部門有著廣泛的應(yīng)用，工業(yè)內(nèi)窺鏡是傳輸圖像的應(yīng)用實(shí)例。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常需要檢查系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)情況，而這種結(jié)構(gòu)由于各種原因不能打開(kāi)或不能靠近觀察。采用光纖圖像傳感器將探頭放入系統(tǒng)內(nèi)部，通過(guò)光束的傳輸，可以在系統(tǒng)外部觀察、監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)部的情況。工業(yè)內(nèi)窺鏡的一種結(jié)構(gòu)由物鏡、傳像束、傳光束、目鏡組成，光源發(fā)出的光通過(guò)光束照明視場(chǎng)，通過(guò)物鏡和傳像束把內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像傳送出來(lái)，以便觀察和照相。另一種結(jié)構(gòu)是內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像通過(guò)傳像束送到CCD器件，這樣可把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，送入微機(jī)進(jìn)行處理，并可通過(guò)微機(jī)輸出控制伺服裝置，以實(shí)現(xiàn)跟蹤掃描，其結(jié)果也可實(shí)時(shí)顯示、打印[11]。

圖4 光纖傳像束示意圖Fig.4 Fiber-optic bundie schematic image

5）光纖傳感器在石油化工系統(tǒng)的應(yīng)用

石油測(cè)井是石油工業(yè)最基本、非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，壓力、溫度、流量等參量是油氣井下的重要物理參數(shù)，通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)這些量進(jìn)行長(zhǎng)期的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)獲取油氣井下信息，對(duì)石油工業(yè)具有極為重要的意義。在石油化工系統(tǒng)中，由于工作環(huán)境大多處于高溫、高壓、化學(xué)腐蝕以及電磁干擾強(qiáng)等場(chǎng)合，使得常規(guī)傳感器難以在這種惡劣環(huán)境下很好地發(fā)揮作用。然而光纖本身不帶電，體小質(zhì)輕，易彎曲，抗電磁干擾、抗輻射性能好，特別適合空間受嚴(yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用，因此光纖傳感器在油井參數(shù)測(cè)量中發(fā)揮著不可替代的作用，它將成為可應(yīng)用于油氣勘探及石油測(cè)井等領(lǐng)域的一項(xiàng)具有廣闊市場(chǎng)前景的新技術(shù)[12]。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著對(duì)光纖傳感技術(shù)的研究不斷深入，勢(shì)必會(huì)對(duì)國(guó)民生產(chǎn)、科學(xué)研究、國(guó)防建設(shè)等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。目前，光纖傳感器技術(shù)正朝著多用途、高靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、微型化、智能化、低功耗、低成本、無(wú)線傳輸、便攜式方向發(fā)展。然而由于解調(diào)技術(shù)還不夠成熟，批量生產(chǎn)光纖傳感器的廠家還很少，并且我國(guó)在技術(shù)和生產(chǎn)能力上同發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大差距，因此我國(guó)的光纖傳感器行業(yè)任重而道遠(yuǎn)，但前途光明，潛力巨大。

[1]李強(qiáng)，王艷松，劉學(xué)民.光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（1）：135-138.LIQiang，WANG Ya-song，LIU Xue-min.Summaryof application status fiber optic temperature sensor in the power system[J].Power System Protection and Control，2010，38（1）：135-138.

[2]Brian Culshaw.Fiber-Optic Sensors Applications and Advances[C]//The International Conference on Optical Fiber Sensors（OFS） startedin London in 1983.OFS 17 took place in Bruges， Belgium， in May 2005.The complete proceedings are available on CD-ROM fromSPIE，Bellingham：24-29.

[3]李文植.光纖傳感器的發(fā)展及其應(yīng)用綜述[J].科技創(chuàng)新月刊，2005（7）:153-154.LI Wen-zhi.Development and application of optical fiber sensors review[J].Technological Innovation Magazine，2005（7）:153-154.

[4]陳杰，黃鴻.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].2版.北京：高等教育出版社，2010.

[5]Mihailov S J.Fiber bragg grating sensors for harsh environments[J].Sensers，2012，12（2）：1898-1918.

[6]朱燕．光纖傳感技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2011（10）：64-65.ZHU Yan.Application of optical fiber sensing technology in power system[J].Modern Industrial Economy and Information Technology，2011（10）：64-65.

[7]王昌，倪家升，王紀(jì)強(qiáng)，等.風(fēng)力發(fā)電中全光纖風(fēng)速傳感器及制作工藝研究[J].激光技術(shù)，2012，36（5）：689-692.WANG Chang，NI Jia-sheng，WANG Ji-qiang，et al.Research all-fiber wind sensor and wind energy in the production process[J].Laser Technology，2012，36（5）:689-692.

[8]孫素梅，陳洪耀，尹國(guó)盛.光纖傳感器的基本原理及在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2008，25（5）：846-850.SUN Su-mei，CHEN Hong-yue，YIN Guo-sheng.The basic principles of fiber optic sensors and applications in medicine[J].Chinese Journal of Medical Physics，2008，25（5）:846-850.

[9]姚欽，史儀凱，劉霞，等.血氧含量和血流量變化光纖檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J].光學(xué)精密工程，2008，16（3）：375-381.YAO Qin，SHI Yi-kai，LIU Xia，et al.Study changes in blood flow and oxygen content fiber optic detection system[J].Optics and Precision Engineering，2008，16（3）：375-381.

[10]中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng).光纖傳感器應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域[EB/OL].[2012-12-20]，http://iot.10086.cn/2012-11-20/1352956228598.html

[11]彭利標(biāo).光纖通信技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[12]徐明政，孫延輝.石油工業(yè)光纖光柵傳感技術(shù)的研究與應(yīng)用[C]//中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)部，第十三屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)第13分會(huì)場(chǎng)-海洋工程裝備發(fā)展論壇論文集，2011：135-140.