光子学基础

摘要：本文介绍了光纤传感器与传统传感器的优点及传光、传感型光纤传感器的原理。之后

讲述了光纤传感器的分类及其特点，最后重点讲述了光纤传感器的应用，主要有在结构工程

检测方面、在桥梁检测方面、在岩土力学与工程方面、在食品工业中、军事技术。

关键字：光纤传感器原理军工应用工程检测

Abstract: This paper mainly introduces the advantages of the optical fiber sensor and the traditional sensor as well as the principles of the optical fiber sensor, including the type of light and the type of sensor. Besides, it describes the classification and features of the optical fiber sensor. At last, the paper focuses on the application of the optical fiber sensor, mainly in the aspects of structural engineering detection, bridge detection, rock-soil mechanics and engineering, food industry and military technology.

Keywords: the optical fiber sensor; principle; military application; engineering detection

1.引言

光纤传感技术的发展始于20世纪70年代，是光电技术发展最活跃的分支之一[1]。近年来传感器产品收益日益增大，传感技术已成为衡量一个国家科学技术的重要标志。光纤传感器与传统的各类传感器相比，可用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，具有光纤及光学测量的特点，电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，非侵入性，高灵敏度，容易实现对被测信号的远距离监控，耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接。因此光纤传感技术发展迅速，种类多样，被测物里量达70多种。基于相位调制的高精度、大动态光纤传感器也越来越受到重视，光纤光栅、多路复用技术、阵列复用技术使光纤传感器的应用范围和规模大幅度提高，分布式光纤传感器和智能结构更是当今的研究热点[2]。

2.原理

光纤传感器主要由光源、光纤、敏感元件、光电探测器和信号处理系统等部分组成，如图 1 所示[3]。由光源发出的光经光纤引导至敏感元件，光的某一性质在这里受到被测量调制，已调光经接收光纤耦合到光电探测器，使光信号变为电信号，最后经信号处理系统处理得到被测量。

光纤传感器分为传感型光纤传感器和传光型光纤传感器。

（1）传感型光纤传感器，也称功能性光纤传感器，它利用外界因素改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长，从而对外界因素进行计算和传输[4]。传播过程中，外界因素使光的参数发生改变的过程称为光波的调制，把调制后的光波经光纤传输到电探测器解调后转换成电信号输出[5]。

（2）传光型光纤传感器也叫非功能性光纤传感器或强度调制型光纤传感器，光纤起传输光波作用。待测物理量引起光纤中传输光的光强变化，通过检查光强的变化来实现对待测物理量的测量。如图：

3.分类

光纤传感器的分类种类很多，有多种分类方式。根据光受被测对象的调制形式分为强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。强度调制型光纤传感器的优点：结构简单、容易实现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。偏振调制光纤传感器是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。频率调制光纤传感器是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。相位调制传感器其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。

当然还有其他的分类标准，这里不再详细介绍。

4.光纤传感器的特点

光纤传感器用光作为信息的载体，用光纤作为传递信息的媒质，具有光纤和光学测量的一些特点[6]。

1)抗电磁干扰。光纤传感器应用光纤的光学特性，因此可以抵抗电磁干扰，特别适用于大电流、强磁场、强辐射等环境，能够解决很多传统传感器无法解决的问题;

2)电绝缘。光纤传感器中的光纤是电介质，敏感元件也可用电介质制作，因此具有良好的电绝缘性，特别适合高压供电系统的测量;

3)高灵敏度。利用光作为信息载体，因此具有光学测量高灵敏度的特点，可以实现某些精密测量;

4)低损耗。由于光纤的传输损耗很小，因此利用光纤传感器技术可实现对被测量的远距离监控。

5.光纤传感技术的应用：

我国光纤传感技术的发展现状和发展前景均比较乐观。然而，值得指出的是我国目前光纤传感器的产业水平和大规模应用方面还远远不能满足民用和军用的需求。因此在光纤传感技术的应用领域还有广泛的空间需要探寻。

光纤传感技术的应用范围很广，比如：

在结构工程检测方面：将光纤材料直接埋入混凝土结构内或粘贴在表面，可以检测热应力和固化、挠度、弯曲以及应力和应变等[7]。

在桥梁检测方面：利用光纤传感器测量振动，主要可得到桥梁的振动响应参数如频率、振幅等。将信号光纤粘贴于桥梁内部，它随着桥梁的振动而产生振动响应，输出光的相位作周期性的变化，则光电探测器接收到的光强也作周期性的变化[8]。

在岩土力学与工程方面：岩土工程检测具有长时效性、环境复杂、具有时空限制、施工环境制约等特点，其检测工作一直是等待解决的难题。而由于光纤传感器体积小、质量轻、不导电、反应快、抗腐蚀等诸多优良特性，使用它成为岩土力学工程的检测工具成为学者们的研究对象。大坝的安全性关系到众多人民的人生安全，对大坝的监控指标有变形、坝基场压力，渗流量、应力[9]。现阶段用于大坝检测的光纤传感器主要有光纤Bragg光栅，FBG 具有灵敏度高可靠性好等优点，应用广泛。原理是基于光纤中传输时产生的布里渊散射、拉曼散射和瑞利散射，通过光分析中后向散色光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种缺陷引起的结构损耗，通过显示损耗与光纤长度的关系来检查外界信号场分布于传感光纤上的扰动信息[10] 。

在食品工业中：由于传感器不受电磁场的干扰，且适合组装成多传感系统，因此广泛应用于食品加热过程，防止食品被烤焦[11]。

而这一次主要谈谈光纤传感技术在军事方面的应用：

光纤传感技术依托于传感器使得该技术得到最大化的应用。比如：光纤水声传感器、分布式光纤传感器、光纤光栅传感器以及智能复合材料中的光纤传感器等等。无论是在航空航天领域还是海防领域，光纤传感技术都“大显身手”。光纤陀螺仪其灵敏度以及角速度测量精度都得到了很大的提高。目前，已广泛应用于民航机、无人机、潜望镜和光电桅杆、导弹的精确定位与控制中[12]。而最具未来色彩的应该就是智能复合材料中的光纤传感器。原因在于：美国正在为未来的弹道使用的智能复合材料开展研究工作，而如何将光纤传感器植入

智能复合材料中正是其中一项重要的研究项目。研究表明，将智能复合材料和传感器联系在一起的一个有效途径是设计和制作标准化、模块化的光纤传感曾。目前比较好的两种方法是：用聚酰亚胺薄膜与光纤传感器阵列的集成、采用聚合物光纤材料按集成光学的方法制作传感层。

多光纤传感器信息融合技术又称多光纤传感器数据融合技术（MSDF）。在现代C3I（指挥、控制、通信与情报）系统中占有重要地位。而这门技术主要依托于光纤传感系统中的信息节点之间的数据互换。这里的“信息节点”主要有两种：

①陆基中心的信息融合节点②指挥舰上的信息融合节点。二者的相同点在于都是在陆基中心或者是海军指挥舰上建立信息融合中心，将所接收的信息进行分析处理。而不同点在于前者一般是分布式或者混合式结构而后者是一个多级式结构。

总而言之，光纤传感技术在我国的发展前景良好、发展潜力巨大，拥有广阔的领域供人探索。

参考文献

[1]. 林之华、李朝锋、刘甲春，光纤传感技术及军事应用[J].光器件，2011（7）：4-6.

[2]. 孟洲、胡永明、姚琼等，《光纤传感技术》研究生课程改革讨论[J].中北大学学报，2009.2

[3]. 赵勇.光纤传感原理与应用技术[M].北京:清华大学出版社，2009.

[4].廖延彪黎敏张敏匡武，光纤传感技术与应用，北京，清华大学出版社，2009年；

[5].张森刘孟华王臻周琦，光纤传感的研究与应用2010年第3期；

[6]. 王鹏宇，光纤传感技术及其应用，中国知网，2012；

[7]. 李士伟、陈伟，光纤传感技术在结构工程检测中的应用，中国知网；

[8].王玉周,光纤传感技术原理及其在桥梁检测中的应用，中国知网

[9].孙彤光纤荧光温度传感器北京科学出版社2007

[10].刘铁根江俊峰分立式光纤传感技术与系统电子工业出版社2012

[11] 吕海宝黄锐楚兴春分布式光纤传感技术[J]. 光学仪器

[12]. 侯俊芳、裴丽、李卓轩、刘超，光纤传感技术的研究进展及应用，中国知网，2012；