光纖傳感器的發(fā)展綜述

王慶波　竇超

【摘 要】光纖傳感器件因其具有重量輕、體積小、靈敏度高、抗電磁干擾、易于復用形成分布式測量等優(yōu)點，成為傳感領(lǐng)域研究的熱點之一。本文介紹了光纖傳感器的發(fā)展概況、基本原理、分類、最新研究進展及應(yīng)用，并指出了光纖傳感器的未來發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】干涉型光纖傳感器；光纖光柵傳感器；光纖SPR傳感器

0 緒論

光纖通信與光纖傳感技術(shù)的研究始于20世紀60年代。光纖傳感技術(shù)是以石英光纖或塑料光纖作為信息的傳輸媒介，信號光作為信息的載體，利用外界環(huán)境因素的改變使得光在光纖中傳播的波長、光強及相位等特征物理參量發(fā)生改變，從而對外界因素進行傳感測量的技術(shù)[1]。

1 光纖傳感器的分類

光纖傳感器具有多種分類方式，根據(jù)傳感原理可分為功能型傳感器和非功能型傳感器。功能型光纖傳感器也叫傳感型光纖傳感器，光纖直接作為敏感元件；非功能型光纖傳感器也叫傳光型光纖傳感器，光纖只作為傳輸光信號的媒介，需要利用其它的光敏元件來感知外界環(huán)境的變化[2]。

2 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展

2.1 干涉型光纖傳感器

當環(huán)境介質(zhì)的折射率發(fā)生變化（如振動或溫度變化等引起），傳感光纖經(jīng)過此處時的光波相位會發(fā)生變化。對傳感光纖中的相干光進行相位調(diào)制，檢測段處就可以觀察到外界環(huán)境變化帶來的干涉結(jié)果的變化，這就是干涉型光纖傳感器的工作原理。目前最常用的干涉型光纖傳感器有：邁克爾遜（Michelson）干涉型光纖傳感器、馬赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉型光纖傳感器、法布里-珀羅（Fabry-Perot干涉型光纖傳感器、薩格納克（Sagnac）干涉型光纖傳感器。

與傳統(tǒng)光纖干涉儀傳感器相比，全光纖M-Z干涉儀傳感器的結(jié)構(gòu)更為簡單。在同一根光纖上制作兩個相隔一定距離的光纖結(jié)構(gòu)，使不同模式之間形成干涉，構(gòu)成光纖內(nèi)的M-Z干涉儀，因不需要耦合器，具有制作簡單，成本低，尺寸小，靈敏度和穩(wěn)定性高等顯著的優(yōu)點。

2013年，Hu Liang等人[3]將一段液體填充的光子晶體光纖熔接到單模光纖上，構(gòu)成了一種M-Z干涉儀，其溫度和力傳感的靈敏度分別為16.49nm/°C和-14.595nm/N。2014年Wen-Hui Ding等人[4]通過在單模光纖尾端熔接一小段光子晶體光纖，制成一種光纖F-P型溫度傳感器，在25到300°C范圍內(nèi)溫度響應(yīng)靈敏度達到-0.011nm/°C。

2.2 光纖光柵傳感器

根據(jù)光纖光柵周期的長短，將光柵分為光纖布拉格光柵和長周期光纖光柵。光纖布拉格光柵的光譜是向前傳輸?shù)墓馀c反射回來的光，即傳輸方向相反的模式之間發(fā)生耦合。長周期光纖光柵的光譜是同向傳輸?shù)睦w芯基模與包層中的高階模之間的耦合，因而也叫透射光柵。光纖光柵的布拉格波長可以表示為，有效折射率neff和柵格周期？撰受溫度和應(yīng)變的影響，布拉格波長會隨溫度？姿Beagg=2neff？撰和應(yīng)變的變化產(chǎn)生漂移，這就是光纖光柵傳感器的原理[5]。

2010 年，Yan Feng等人[6]制作了光纖光柵溫度傳感器，實驗表明在35到95°C的溫度段，溫度響應(yīng)靈敏度為0.02nm/°C。2013年，Xinpu Zhang等人[7]利用多模光纖光柵多峰的特點，解決了在光纖傳感領(lǐng)域一直困擾大家的溫度、折射率等多物理量的交叉敏感問題。

2.3 光纖SPR傳感器

光纖表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）傳感器是一種將光纖作為激發(fā)SPR效應(yīng)基體的新型傳感器。傳統(tǒng)光纖SPR傳感方式主要有在線傳輸式和終端反射式，光纖傳輸模式的能量基本集中在纖芯區(qū)域，為保證 SPR效應(yīng)的產(chǎn)生，無論采用哪種方式，都需要去除其部分包層，在纖芯表面鍍上金屬薄膜。利用光在纖芯-包層界面發(fā)生全內(nèi)反射時產(chǎn)生的SPR效應(yīng)，通過傳輸損耗譜的峰值變化來分析待測樣品的參數(shù)變化。

20世紀90年代，新型光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber，PCF）[12]開始進入科研人員的視野。2006年，Hassani 等人提出了兩種基于PCF的SPR傳感器[8]，在 PCF的第二層空氣孔內(nèi)壁鍍上金屬膜?？諝饪字刑畛涞拇郎y液體與金屬膜激發(fā)的表面等離子體模式發(fā)生耦合，仿真結(jié)果表明這種傳感器的分辨率能達到10-4RIU。

3 光纖傳感器的應(yīng)用

由于具有體積小、質(zhì)量輕、靈敏度高、耐腐蝕、電絕緣性好、抗電磁干擾等諸多優(yōu)點，光纖傳感器已經(jīng)在很多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

3.1 土木工程中的應(yīng)用

光纖傳感器能對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行無損傷實時監(jiān)測，因此光纖溫度、壓力傳感器被廣泛應(yīng)用于橋梁，隧道的裂縫、錯層以及水利大壩的滲漏和邊坡變形監(jiān)測，從而及時發(fā)現(xiàn)并排除安全隱患。

3.2 電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

我國地域廣闊，各地地理環(huán)境和溫度差異很大，光纖電流傳感器和電功率傳感器形成陣列網(wǎng)格排列，對錯綜復雜的線路實現(xiàn)分布式監(jiān)控，監(jiān)測電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中的溫度、電壓和電流等參數(shù)，保證電力傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及安全性。

3.3 工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

光纖傳感器的耐水性、電絕緣性好，耐腐蝕、抗電磁干擾，特別適合在易燃易爆及強電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用，因此可以應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)中的井下氣體濃度監(jiān)測及油氣井開采過程中油、水、氣等生產(chǎn)參數(shù)的動態(tài)檢測。

3.4 生物醫(yī)學中的應(yīng)用

光纖傳感器有不受射頻和微波的干擾，絕緣性好等優(yōu)點，同時對生物體有著良好的親和性，因此光纖溫度、壓力傳感器被應(yīng)用于生物醫(yī)學等領(lǐng)域的PH值測量、血液流速測量、醫(yī)用圖像傳輸?shù)确矫妗?/p>

4 結(jié)語

隨著科技的不斷進步，綜合人類發(fā)展的需求，光纖傳感器在未來幾年有以下幾個發(fā)展趨勢：1）全光纖微型化，整個傳感部分僅由一根光纖組成。2）實時化測量多個參量，通過一個傳感器實現(xiàn)多個參數(shù)的同時測量，并能消除交叉靈敏度。3）光纖傳感器的智能化，傳感器形成分布式陣列網(wǎng)格，提高信息采集的精確度和效率，實現(xiàn)無線傳輸和遠程監(jiān)測?？梢姡饫w傳感器有著更為廣闊的應(yīng)用前景，需要人們不斷探索。

【參考文獻】

[1]周金龍.新型光纖光柵技術(shù)及其在光通信與光纖傳感方面應(yīng)用的研究[D].廈門：廈門大學，2008：1-118.

[2]張麗.光子晶體光纖傳感器的傳感特性研究[D].天津：天津理工大學，2014：1-56.

[3]陳金平.基于Mach-Zehnder干涉的光纖傳感器的特性研究[D].寧波：寧波大，2014：1-56.

[4]趙娜，等.基于光纖粗錐型馬赫-曾德爾干涉儀的高靈敏度溫度傳感器的研制[J].光譜學與光譜分析，2014，34（6）：1722-1726.

[5]李濤.光纖光柵濕度傳感器的研究[D].杭州：中國計量學院，2012：1-67.

[6]沈修鋒.光纖傳感器的制作工藝及工程應(yīng)用研究[D].北京：北京理工大學，2015：1-67.

[7]羅小東.長距離光纖傳感系統(tǒng)[D].成都：電子科技大學，2008：1-72.

[8]彭楊.表面等離子體共振技術(shù)及其在光子晶體光纖傳感中的應(yīng)用研究[D].長沙：國防科學技術(shù)大學，2012：1-69.

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