|
光纤传感 传感器技术已经成为当今世界令人瞩目、迅猛发展的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。自从上世纪 80 年代低损耗光纤问世以来，光纤传感技术一直处于传感器技术发展的前沿，并与光纤通信技术一起成为光纤技术的两个重要领域。与传统的传感器相比，光纤传感器本身不带电，具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全、多参量测量（温度、应力、振动、位移、转动、电磁场、化学量和生物量等）、灵敏度高、质量轻、体积小、可嵌入（物体）等特点，容易组成光纤传感网络（本征型分布式光纤传感器本身就组成网络）并可接入因特网和无线网。
光纤传感技术在国家安全、重大工程、生物医药等多个领域具有重大的社会需求和应用前景。
1在国家安全监控方面
光纤传感技术能提供连续、实时、非侵入式监测手段。目前我国国民经济飞速发展，在重大基础建设设施领域已经开始或计划实施一系列大型工程，这对基础设施安全监测的技术设备提出了极为紧迫的需求。例如在重要光纤通讯线路和输变电线路中，对通讯线路的窃听和破坏，对输电线路的偷盗，这不仅造成重大经济损失，更可能造成不可估量的政治和社会影响。又如建立战略石油储备是保证国家能源供给的一项举措，罐区设有数百个储油罐，其安全隐患不容忽视，一旦发生危险将会威胁整个地区安全和国家战略石油储备的安全，因此对石油储备罐区的温度进行实时连续分布监测是国家重大需求。
2在重大工程安全监测方面
光纤传感技术的抗电磁干扰、电绝缘和体积小的特性使其具有显著优势。例如在矿业开采中对危险气体和作业环境的监测中，光纤传感技术就大有可为。 3在生物医药等基础研究方面
光纤传感技术可以作为一种特殊而有效的研究手段。例如基于光纤生物传感器的生物分子相互作用动态分析能有效地表征分子复合物生成和分解随时间的变化过程。这种在分子水平上观察生物反应过程已成为新药研制和生命科学等领域研究的一个重要组成部分。为医学诊断，药品研制，食物监测，环境监测，军事科学等领域提供了有力的分析工具。
新一代光纤智能传感技术在发展上与人工智能具有紧密联系的天然基础和同步性。人工智能是开发模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学，被众多国家列为发展重点方向。而作为感知输入 ，传感器是人工智能的第一步，是实现人工智能的基础和前提，因此人工智能系统中使用的传感器种类和数量越来越多。新一代光纤智能传感技术将紧密结合人工智能发展，以传感器为核心，连续分布式传感为方向，具有超长距离传感能力，传感器由单个或多个向海量扩展，检测参数由物理量向化学量、生物量延伸，由单点、准分布式检测向连续分布式发展，具有高空间分辨率、高精度的特性。新一代光纤智能传感技术研究的是一种具有3S（Smart structure 灵巧结构，Smart components灵巧器件, Smart skill 灵巧技术）功能的系统，是将信息科学与物理学、化学、生物学、医学和地学等多个学科交叉的产物。新一代光纤智能传感技术还将以光纤传感网为支撑。光纤传感网是将光纤传感器或光纤传感子系统以一定拓扑结构构成的网络。与光纤通信网络主要用于文字、图像、语音和视频的传输、处理和显示的目标不同，光纤传感网主要用于物理、生物和化学等参量的传感和传输，数据量不大但却要求实时、准确。
光纤传感技术按照结构可以分为分立式光纤传感技术和分布式光纤传感技术两大类。
分立式光纤传感技术利用光纤敏感器件作为传感器来感知被测量的变化，通过被测量对光谱、光强、偏振等光学参量的调制获取被测量的信息。光纤作为光信号的传输通道连接了光纤传感器及后端的解调装置。包括光纤光栅传感技术、光纤法珀传感技术、光纤陀螺传感技术、光纤内腔传感技术、空心光纤回音壁谐振模传感技术、磁流体光纤传感技术研究等。(1)目前在工程应用广泛的光纤光栅传感器主要基于光纤布拉格光栅（FBG），是一种纤芯折射率周期性变化的光纤结构。FBG 的布拉格波长对外界变化非常敏感，当 FBG 所处环境温度、应变发生变化时，FBG 的布拉格波长会随之发生漂移， FBG波长解调方法可采用边缘滤波法，可调谐 F-P 滤波法，衍射光栅法等。(2)光纤法珀传感技术通过待测量作用于法珀腔产生的腔长变化进行传感。法珀腔具有征型和非本征型两类结构，入射光在法珀腔的两个端面形成反射，产生干涉信号，干涉信号随着法珀腔长改变而发生变化，通过对干涉信号进行解调实现对待测量传感。解调方法包括条纹计数法、傅里叶变换光谱法、时间扫描型低相干解调、空间扫描型低相干解调等。(3) 光纤陀螺是建立在萨格纳克效应基础上的环形双光束干涉仪，利用同一光源分出特征相同的两束光波，在同一光纤线圈中沿顺时针方向和逆时针方向分别传输，并最终汇合至一点而发生干涉,若干涉仪闭合光路相对于惯性空间存在一光路法向方向的旋转速率信号，则沿顺时针方向及逆时针方向传播的光波会产生一个正比于旋转速率的光程差。光纤环作为光纤陀螺核心敏感元件，其质量非常关键。光纤环的量化分析和测量技术是光纤陀螺研究的重点之一。(4) 基于光纤激光器的有源内腔气体检测系统常采用掺稀土元素的光纤作为增益介质，增加了作用距离。近年来，内腔吸收逐渐从单点单气体检测向多点多气体检测发展，利用不同的谱线位置可以判定气体种类，利用吸收谱线的幅值可以测得气体浓度。(5) 空心光纤回音壁谐振模传感技术利用弯曲边界通过全反射形成的回音壁谐振模式进行传感，增加了与物质作用的有效长度，目前已经形成了微管型、微瓶型、微泡型及光子晶体型等多种构型。(6) 磁流体是一种在适当基液中均匀分散有经化学修饰的纳米级磁性颗粒的磁性液体。如将一段无芯光纤与两段普通单模光纤熔接便构成了一个单多单干涉结构,并将该结构与磁流体结合起来即可制作成光纤磁场传感器。
分布式光纤传感技术基于光纤中光的干涉、瑞利散射、拉曼散射或布里渊散射等光学效应，利用光纤本身作为传感器，当光在光纤传输过程中受到加载在路径上的振动、应变、声音、温度变化、结构损伤等载荷的调制时，其相应在路径沿线不同空间分布和随时间变化的光信号也会产生相应变化。分布式光纤传感技术可实现大范围、长距离的传感，其发展方向是高空间分辨率和高灵敏度，主要包含干涉型扰动分布传感、光频域反射传感技术、光纤布里渊传感技术、光纤拉曼传感技术、相位光时域反射传感技术等。(1) 干涉型扰动分布传感可以采用对称或非对称双马赫增德干涉结构，并通过互相关算法求时延，为了实现对扰动行为的高精度定位，需要研究偏振补偿及偏振控制算法，设计基于广义互相关的定位算法。(2) 光频域反射技术使用窄线宽扫描光源，拍频干涉信号的拍频与被测光纤的距离关联的，目前已实现应变、温度、磁场、电流等的分布式传感。(3) 光纤布里渊散射是入射光场与光纤介质的光学声子相互作用的结果，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术通过检测布里渊频移来测量温度或应变。(4) 基于拉曼散射效应的分布式光纤温度传感主要利用斯托克斯拉曼散射光强和反斯托克斯拉曼散射光强解调温度，从而得到光纤上温度场信息。(5) 相位光时域反射传感技术在光纤中注入窄线宽激光脉冲，脉冲内的瑞利散射光相互干涉，外界待测量变化会对后向瑞利散射光相位产生显著调制，从而改变干涉信号实现传感。
| 
