【導讀】傳感器具備靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化等特點而被廣泛應用。其中，光纖傳感器是傳感器家族倍受青睞的新成員。本文將詳細介紹光纖傳感器基本構成、原理及其各種應用。
光纖具有很多優異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質軟、重量輕的機械性能；絕緣、無感應的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等，它能夠在人達不到的地方(如高溫區)，或者對人有害的地區(如核輻射區)，起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。
光纖傳感器基本構成及原理
光纖傳感器由光源、入射光纖、出射光纖、光調制器、光探測器以及解調制器組成。其基本原理是將光源的光經入射光纖送人調制區，光在調制區內與外界被測參數相互作用，使光的光學性質(如強度、波長、頻率、相位、偏正態等)發生變化而成為被調制的信號光，再經出射光纖送入光探測器、解調器而獲得被測參數。
光纖傳感器按傳感原理可分為兩類：一類是傳光型(非功能型)傳感器，另一類是傳感型(功能型)傳感器。在傳光型光纖傳感器中，光纖僅作為光的傳輸媒質，對被測信號的感覺是靠其它敏感元件來完成的，這種傳感器中出射光纖和入射光纖是不連續的，兩者之間的調制器是光譜變化的敏感元件或其它性質的敏感元件。在傳感型光纖傳感器中光纖兼有對被測信號的敏感及光信號的傳輸作用，將信號的“感”和“傳” 合而為一，因此這類傳感器中光纖是連續的。
由于這兩種傳感器中光纖所起的作用不同，對光纖的要求也不同。在傳光型傳感器中光纖只起傳光的作用，采用通信光纖甚至普通的多模光纖就能滿足要求，而敏感元件可以很靈活地選用優質的材料來實現，因此這類傳感器的靈敏度可以做得很高，但需要較多的光耦合器件，結構較復雜；傳感型光纖傳感器的結構相對來說比較簡單，可少用一些耦合器件，但對光纖的要求較高，往往需采用對被測信號敏感、傳輸特性又好的特殊光纖。到目前為止，實際中大多數采用前者，但隨著光纖制造工藝的改進，傳感型光纖傳感器也必將得到廣泛的應用。
按光在光纖中被調制的原理不同，光纖傳感器可分為：強度調制型、相位調制型、偏振態調制型、頻率調制型、波長調制型等。迄令為止，光纖傳感器能夠測定的物理量已達七十多種。光纖傳感器特點與傳統的傳感器相比，光纖傳感器具有獨特的優點。
光纖傳感器具有以下獨特的優點
光纖傳感器具有以下獨特的優點
(1) 靈敏度高。由于光是一種波長極短的電磁波，通過光的相位便得到其光學長度。以光纖干涉儀為例，由于所使用的光纖直徑很小，受到微小的機械外力的作用或溫度變化時其光學長度要發生變化，從而引起較大的相位變化。假設用1 0米的光纖，l℃的變化引起1000ard的相位變化，若能夠檢測出的最小相位變化為0.01ard，那么所能測出的最小溫度變化為l 0℃ ，可見其靈敏度之高。
(2) 抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質安全由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖又是電絕緣、耐腐蝕的傳輸媒質，并且安全可靠，這使它可以方便有效地用于各種大型機電、石油化工、礦井等強電磁干擾和易燃易爆等惡劣環境中。
(3) 測量速度快。光的傳播速度最快且能傳送二維信息，因此可用于高速測量。對雷達等信號的分析要求具有極高的檢測速率，應用電子學的方法難以實現，利用光的衍射現象的高速頻譜分析便可解決。
(4) 信息容量大。被測信號以光波為載體，而光的頻率極高，所容納的頻帶很寬，同一根光纖可以傳輸多路信號。
(5)適用于惡劣環境。光纖是一種電介質，耐高壓、耐腐蝕、抗電磁干擾，可用于其它傳感器所不適應的惡劣環境中。
此外，光纖傳感器還具有質量輕、體積小、可繞曲、測量對象廣泛、復用性好、成本低等特點。光纖傳感器的應用正是由于光纖傳感器擁有如此之多的優點，使得其應用領域非常廣泛，涉及石油化工、電力、醫學、土木工程等諸多領域。
[page] 光纖傳感器的應用
1、光纖傳感器在石油化工系統的應用在石油化工系統中，由于井下環境具有高溫、高壓、化學腐蝕以及電磁干擾強等特點，使得常規傳感器難以在井下很好地發揮作用。然而光纖本身不帶電，體小質輕，易彎曲，抗電磁干擾、抗輻射性能好。特別適合于易燃易爆、空間受嚴格限制及強電磁干擾等惡劣環境下使用，因此光纖傳感器在油井參數測量中發揮著不可替代的作用，它將成為可應用于油氣勘探及石油測井等領域的一項具有廣闊市場前景的新技術。光纖傳感器在油氣勘探中的應用。
1.1光纖傳感器由于其抗高溫能力、多通絡、分布式的感應能力，以及只需要較小的空間即可滿足其使用條件的特點，使得在勘探鉆井方面尤其獨特的優勢。
應用光纖傳感器可以制成井下分光計，分布式溫度傳感器及光纖壓力傳感器等適用于這種特殊作業要求的產品。
(1)井下分光計流體分析儀如圖1所示，可用于了解初期開發過程中的原油組成成分。它由兩個傳感器合成：一個是吸收光譜分光纖，另一個是熒光和氣體探測器。井下流體通過地層探針被引入出油管，光學傳感器用于分析出油管內的流體。流體分析分光計則提供了原位井下流體分析，并對地層流體的評估加以改進。
(2)分布式溫度傳感器光纖分布式溫度傳感器是井下應用最為流行的光纖傳感器。應用實例是監測注水蒸氣重油開采系統。蒸汽被注入重油層用以降低油的黏度，使稠油能夠開采出來。井下蒸汽溫度可高達250℃ 以上。
圖1：流體分析儀構造
(3)壓力傳感器側孔光纖式壓力傳感器目前正在研發中，其主要致力于超高溫和井下壓力監測任務。目前基于光纖傳感器已經出現其他商業產品，例如，用于多相流測量和分布式動態應變測量的光纖探針。其高可靠性和高效低耗的技術優勢是光纖產品在油田應用上取得成功的關鍵因素。
1.2 光纖傳感器在石油測井中的應用石油測井是石油工業最基本和最關鍵的環節之一，壓力、溫度、流量等參量是油氣井下的重要物理量，通過先進的技術手段對這些量進行長期的實時監測，及時獲取油氣井下信息，對石油工業具有極為重要的意義。光纖傳感器對電磁干擾不敏感而且能承受極端條件，包括高溫、高壓以及強烈的沖擊與振動，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，在井筒中占據空間極小。而這些特性都是傳統的電子傳感器在井下的惡劣環境下所不具備的。
利用光纖傳感器可以進行井下流量測量、溫度測量、壓力測量、含水(氣)測量、密度測量、聲波測量等。
(1) 流量測量。由于光的強度、相位、頻率、波長等特性在光纖傳輸的過程中會受到流量的調制，利用一定的光檢測方法把調制量轉換成電信號，就可以求出流體的流量，這就是光纖流量計的工作原理。
(2) 溫度及壓力測量。分布式光纖測量系統(DTS)利用光纖后向拉曼散射的溫度效應，可以對光纖所在的溫度場進行實時監測，EFPI型(非本征型F-P干涉)、FBG型光纖傳感器為波長編碼型傳感器，具有靈敏度高、可同時測量壓力、溫度、應力等多個參量的特點。光纖熱色溫度傳感器是由白光源、多模光纖組成的反射式溫度傳感器；光纖輻射式溫度傳感器利用黑體輻射能量，其非接觸，可測瞬問溫度，響應速度快，不需要熱平衡時間，可用于高溫測量；半導體吸收式光纖溫度傳感器利用其半導體材料的吸收邊波長隨著溫度的增加而向較長波長位移的特性，選擇適當的半導體發光二極管，使其光譜范圍正好落在吸收邊的區域，這樣透過半導體的光強就隨著溫度的增加而減少。
(3) 含水(氣)率及密度測量U型光纖的傳輸功率隨外界介質折射率變化而變化，光波作為信息載體，與混合流體電阻率、流型及水質無關，基于該原理的光纖持率/密度傳感器從本質上解決了現有持率存在的高含水無分辨率和放射性物質的應用問題，對于多相流體油、水、氣的折射率各不相同，因而混合流體的折射率會隨著油、水、氣比例的改變而改變。因此這種折射率調制型光纖傳感器不僅能測流體持率，可同時測流體密度，其精度較高。
(4) 聲波測量。地震波在不同的介質中傳播，接收到的地震波波形就會不同，根據不同的地震波形態，可識別地層沉積序列和沉積構造，為儲層定位、判斷竄槽、檢測套管破損及斷裂、射孔層位及確定流體流量等。VSP地震測井，就是把檢波器放人井中，通過地面擊發的地震波或利用井中流體流動等產生的微震動，由井中的檢波器接收地震信號。永久井下光纖三分量地震測量具有高的靈敏度和方向性，能產生高精度的空間圖像，不僅能提供近井眼圖像，而且能提供井眼周圍地層圖像，測量范圍能達數千公里。它能經受惡劣環境條件，且沒有可移動部件和井下電子器件，能經受強的沖擊和震動，可安裝在復雜的完井管柱極小的空間光纖傳感器在電力系統的應用。
電力系統網絡結構復雜、分布面廣，在高壓電力線和電力通信網絡上存在著各種各樣的隱患，因此，對系統內各種線路、網絡進行分布式監測顯得尤為重要。
1、在高壓電纜溫度和應變測量中的應用
目前，國外(主要是英國、日本等)已利用激光喇曼光譜效應研制出分布式光纖溫度傳感器產品。而國內也在積極地開展這方面的研究工作。國內把分布式光纖溫度傳感技術引入電力系統電纜測溫的研究工作只是剛剛開始。聯系到我國南方地區去年所遭受到的雪災來考慮，如果能在高壓電纜上并行地鋪設傳感光纜，對電力系統電纜、鐵塔等設施的溫度、壓力等參量進行實時測量，就能夠做到及時排險，從而盡可能減少經濟損失。可見，光纖傳感器在電力系統將具有廣泛的應用前景。在理想情況下，光纖應被置于盡可能靠近電纜纜芯的位置，以更精確地測量電纜的實際溫度。對于直埋動力電纜來說，表貼式光纖雖然不能準確地反映電纜負載的變化，但是對電纜埋設處土壤熱阻率的變化比較敏感，而且能夠減少光纖的安裝成本。
2、在電功率傳感器中的應用
電功率是反映電力系統中能量轉換與傳輸的基本電量，電功率測量是電力計量的一項重要內容。隨著電力工業的迅速發展，傳統的電磁測量方法日益顯露出其固有的局限性，如電絕緣、電磁干擾、磁飽和等問題，因而人們一直在致力于尋找測量電功率的新方法。可以說光纖傳感器的出現給人們解決這一問題帶來了福音。光纖電功率傳感器的主要特點是：由于電功率傳感同時涉及電壓、電流2個電量，因而通常需要同時考慮電光、磁光效應，同時利用2種傳感介質或1種多功能介質作為敏感元件，這使得光纖電功率傳感頭的結構相對復雜；光纖電功率傳感器的光傳感信號中有時同時包含電壓、電流信號，因此其信號檢測與處理方法也將比較復雜。
3、在電力系統光纜監測中的應用電力系統光纜種類繁多，加之我國地域廣闊，各地環境差異很大，所以光纜的環境也很復雜，其中溫度和應力是影響光纜性能的主要環境因素。因此，在監測光纖斷點的同時也對光纜所處溫度和應力情況進行監測，可見對光纜的故障預警及維護意義深遠。通過測量沿光纖長度方向的布里淵散射光的頻移和強度，可得到光纖的溫度和應變信息，且傳感距離較遠，所以有深遠的工程研究價值。基于布里淵光時域反射(BOTDR)的分布式光纖傳感系統，采用相干檢測技術，系統原理如圖2所示。
圖2：基于BOTDR傳感系統原理
BOTDR光纖傳感系統測量的是光纖的自發布里淵散射信號，其信號強度非常微弱，但可以采用相干檢測技術提高系統信噪比。這種方案可單光源、單端工作，系統簡單，實現方便，而且可同時監測光纖斷點、損耗、溫度和應變。
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傳光光纖傳感器在醫學方面的應用
在醫學中的應用醫用光纖傳感器目前主要是傳光型的。以其小巧、絕緣、不受射頻和微波干擾、測量精度高及與生物體親合性好等優點備受重視。本文將主要介紹傳光光纖在壓力測量、血流速度測量、pH值測量三個方面的應用。此外，它還可以應用于測量溫度和醫用圖像傳輸上面。
1、壓力測量。目前臨床上應用的壓力傳感器主要用來測量血管內的血壓、顱內壓、心內壓、膀胱和尿道壓力等。用來測量血壓的壓力傳感器示意見圖3。其中對壓力敏感的部分是在探針導管末端側壁上的一塊防水薄膜，一面帶有懸臂的微型反射鏡與薄膜相連，反射鏡對面是一束光纖，用來傳遞入射光到反射鏡，同時也將反射光傳送出來。當薄膜上有壓力作用時。薄膜發生形變且能帶動懸臂使反射鏡角度發生改變，從光纖傳來的光束照射到反光鏡上，再反射到光纖的端點。由于反射光的方向隨反射鏡角度的變化而改變，因此光纖接收到的反射光的強度也隨之變化。這一變化通過光纖傳到另一端的光電探測器變成電信號，這樣通過電壓的變化便可知探針處的壓力大小。
圖3：光纖體壓計探針
2、血流速度測量多普勒型光纖速度傳感器測量皮下組織血流速度的示意見圖4此裝置利用了光纖的端面反射現象，測量系統結構簡單。
圖4：光纖體壓計探針
發光頻率為f的激光經透鏡，光纖被送到表皮組織。對于不動的組織，例如血管壁，所反射的光不產生頻移；而對于皮層毛細血管里流速為 的紅細胞，反射光要產生頻移，其頻率變化為△f；發生頻移的反射光強度與紅細胞的濃度成比例，頻率的變化值可與紅細胞的運動速度成正比。發射光經光纖收集后，先在光檢測器上進行混頻，然后進人信號處理儀，從而得到紅細胞的運動速度和濃度。
3、pH值測量
用來測定活體組織和血液值pH光纖光譜傳感器示意圖，如圖5所示。其工作原理是利用發射光、透射光的強度隨波長的分布光譜來進行測量。這種傳感器將兩根光纖插入可透過離子的纖維素膜盒中.膜盒內裝有試劑，當把針頭插入組織或血管后，體液滲入試劑，導致試劑吸收某種波長的光。用光譜分析儀測出此種變化，即可求得血液或組織的pH值。
圖5：測定pH值的光纖光譜儀
