發布日期：2022-10-09 點擊率：70
光纖傳感器隨著光纖通信技術的實用化有了迅速發展，且以體積小、重量輕、檢測分辨率高、靈敏度高、測溫范圍寬、保密性好、抗電磁干擾能力強、抗腐蝕性強等明顯優于傳統傳感器的特點，其應用范圍深入至國防軍事、航天航空、土木工程、電力、能源、環保、醫學等。現如今光纖傳感器已經能夠對溫度、壓力、溫度、振動、電流、電壓、磁場等物理量進行測定，發展空間相當廣闊。
1. 光纖傳感器的基本構成和組成原理光纖傳感器主要由光源、光纖與探測器3部分組成，光源發出的光耦合進光纖，經光纖進入調制區，在調治區內，外界被測參數作用于進入調區內的光信號，是其光學性質如光的強度、相位、偏振態、波長等發生變化成為被調制的信號光，再經過光纖送入光探測器而獲得被測參數，光纖傳感器中的光纖通常由纖芯、包層、樹脂涂層和塑料護套組成，纖芯和包層具有不同的折射率，樹脂涂層對光纖起保護作用，光纖按材料組成分為玻璃光纖和塑料光纖；按光纖纖芯和包層折射率的分布可分為階躍折射率型光纖和梯度折射率光纖兩種。光纖能夠約束引導光波在其內部或表面附近沿軸線方向向前傳播，具有感測和傳輸的雙重功能，是一種非常重要的智能材料。
2. 光纖傳感器的類型及特點光纖傳感器的類型很多，按光纖傳感器中光纖的作用可分為傳感型和傳光型兩種類型。
傳感型光纖傳感器又稱為功能型光纖傳感器，主要使用單模光纖，光纖不僅起傳光作用，同時又是敏感元件，它利用光纖本身的傳輸特性經被測物理量作用而發生變化的特點，使光波傳導的屬性(振幅、相位、頻率、偏振)被調制。因此，這一類光纖傳感器又分為光強調制型，偏振態調制型和波長調制型等幾種。對于傳感型光纖傳感器，由于光纖本身是敏感元件，因此加長光纖的長度可以得到很高的靈敏度。
傳光型光纖傳感器又稱非功能型光纖傳感器，它是將經過被測對象所調制的光信號輸入光纖后，通過在輸出段進行光信號處理而進行測量的。在這類傳感器中，光纖僅作為傳光元件，必須附加能夠對光纖所傳遞的光進行調治的敏感元件才能組成傳感元件。
3. 光纖傳感器的應用光纖傳感器的應用范圍很廣，幾乎涉及國民經濟的所有重要領域和人們的日常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環境中使用，解決了許多行業多年來一直存在的技術難題，具有很大的市場需求。主要表現在以下幾個方面的應用:
(1) 城市建設中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應用。光纖傳感器可預埋在混凝土、碳纖維增強塑料及各種復合材料中，用于測試應力松弛、施工應力和動荷載應力從而來評估橋梁短期、施工階段和長期營運狀態的結構性能。
(2) 在電力系統，需要測定溫度、電流等參數，如對高壓變壓器和大型電機的定子、轉子內的溫度檢測等，由于電類傳感器易受強電磁場的干擾，無法在這些場合中使用，只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發展起來的一種用于實時測量空間溫度場分布的高新技術，分布式光纖溫度傳感系統不僅具有普通光纖傳感器的優點，還具有對光纖沿線各點的溫度的分布式傳感能力，利用這種特點我們可以連續實時測量光纖沿線幾公里內各點的溫度，定位精度可達米的量級，測溫精度可達1度的水平，非常適用于大范圍多點測溫的應用場合。
(3) 在石油化工系統、礦井、大型電廠等，需要檢測氧氣、碳氫化合物、CO等氣體，采用電類傳感器不但達不到要求的精度，更嚴重的是會引起安全事故。因此，研究和開發高性能的光纖氣敏傳感器，可以安全有效地實現上述檢測。
(4) 在環境監測、臨床醫學檢測、食品安全檢測等方面，由于其環境復雜，影響因素多，使用其它傳感器達不到所需要的精度，并且易受外界因素的干擾，采用光纖傳感器可以具有很強的抗干擾能力和較高的精度，可實現對上述各領域的生物量的快速、方便、準確地檢測。目前，我國水源的污染情況嚴重，臨床檢驗、食品安全檢測手段比較落后，光纖傳感器在這些領域具有極好的市場前景。
(5) 醫學及生物傳感器。醫學臨床應用光纖輻射劑量計、呼吸系統氣流傳感系統;圓錐形微型FOS測量氧氣濃度及其他生物參數;用FOS探測氫氧化物及其他化學污染物;光纖表面細胞質粒基因組共振生物傳感器;生物適應FOS系統應用于海水監測、生化技術、醫藥。
光纖傳感器在實踐中運用到的例子舉不勝舉，這些技術都是多學科的綜合，涵蓋的知識面廣，象光纖陀螺，火花塞光纖傳感器，光纖傳感復合材料，以及利用光纖傳感器對植物葉綠素的研究等等；隨著科技的不斷進步，越來越多的光纖傳感器將面世，它將被應用到生產生活的每一個角落。
4. 光纖傳感器的技術發展方向光纖傳感技術經過20余年的發展也已獲得長足的進步，出現了很多實用性的產品，然而實際的需要是各種各樣的，光纖傳感技術的現狀仍然遠遠不能滿足實際需要。目前，光纖傳感器技術發展的主要方向是。
(1) 傳感器的實用化研究。即一種光纖傳感器不僅只針對一種物理量，要能夠對多種物理量進行同時測量。
(2) 提高分布式傳感器的空間分辨率、靈敏度，降低其成本，設計復雜的傳感器網絡工程。注意分布式傳感器的參數，即壓力、溫度，特別是化學參數(碳氫化合物、一些污染物、濕度、PH值等)對光纖的影響。
(3) 傳感器用特殊光纖材料和器件的研究。例如:增敏和去敏光纖、熒光光纖、電極化光纖的研究等。這些將是以后傳感器進一步發展的趨勢。
(4) 在惡劣條件下(高溫、高壓、化學腐蝕)低成本傳感器(支架、連接、安裝)的開發和應用。
(5) 新傳感機理的研究，開拓新型光纖傳感器。
參考文獻[1] 肖軍, 王穎. 光纖傳感技術的研究現狀與展望[J]. 機械管理開發, 2006,6.
[2] 吳潔, 薛玲玲. 光纖傳感器的研究進展[J]. 激光雜志, 2007,5.
[3] 吳瓊, 吳善波, 劉勇, 袁長迎. 新型光纖傳感器的設計及其特性研究[J]. 儀表技術與傳感器, 2007,11.
[4] 李文植. 光纖傳感器的發展及其應用綜述, 科技創業月刊, 2006,7.
[5] 閆若穎, 王月香, 李淑悅. 光纖傳感器的應用, 科技廣場, 2007,1.
光纖傳感器的應用研究
摘 要 本文介紹了光纖傳感器研究的目的、意義及其發展趨勢，通過分析研究各類光纖傳感器的基本原理，設計出了幾種功能較完善的光纖傳感器。首先從研究光纖傳感器的工作原理出發，分析各種光纖傳感器的結構和原理，通過對
①電絕緣性能好。
②抗電磁干擾能力強。
③非侵入性。
④高靈敏度。
⑤容易實現對被測信號的遠距離監控
2光通信簡介
2.1有線光通信
有線光通信的傳輸媒介為光纖。光纖是光導纖維的簡稱，是用光透射率高的電介質構成的光通路。它是一種介質圓柱光波導。所謂“光波導”是指將以光的形式出現的電磁波能量利用全反射的原理約束并引導光波在光纖內部或表面附近沿軸線方向傳播。
2.1.1光纖的結構
光纖的結構如圖2-1所示。它是由纖芯、包層、涂敷層及套塑四部分組成。纖芯位于光纖的中心部位。它的主要成分是高純度的二氧化硅。其純度可達到99.%。其余成分為參入的極少量參雜劑，如五氧化二磷和二氧化鍺。摻雜劑的作用是提高纖芯的折射率，纖芯的直徑2a一般為5-50微米。包層也是含有少量摻雜劑的高純度的二氧化硅。摻雜劑有氟或硼。這些摻雜劑的作用是降低包層的折射率。包層的直徑（包括纖芯在內）2b為125微米。包層的外面涂敷一層很薄的涂敷層。通常要進行兩次涂敷，它的作用是增強光纖的機械強度。目前涂敷層的材料一般為環氧樹脂或硅橡膠。涂敷層之外就是套塑。它的作用是加強光纖的機械強度。套塑的原料大都采用尼龍或聚乙烯。
圖2-1 光纖的結構
2.1.2光纖的性能
光纖是70年代為光通信而發展的一種新型材料，它主要是用玻璃預制棒拉絲成纖維，外直徑僅100-150微米，有許多獨特的性能。
1．良好的傳光性能。
2．光纖傳輸的是光，而光的頻率特別高，所以能夠容納更高的帶寬。這是光纖能夠
同時傳輸大量信息的根本原因。
3．光纖電絕緣性能好，不受電磁干擾，無火花，能在易燃、易爆的環境中使用。
2.1.3 光纖通信的缺點
1光纖通信最明顯的就是維護問題。其一公里上能有幾個接點是有嚴格指標的主要因為光纜比較嬌氣，彎曲半徑稍小一點就會帶來近乎中斷光纖敷設的周期較長、投資很大接入方式需要高額的初始投資和頻譜許可證2.2 無線光通信
無線光通信系統（FSO）2.2.1 無線光通信結構
無線光通信系統的結構如下圖所示：由光源、摻鉺光纖放大器、發射光學系統、接收光學系統和接收機等組成，具體儀器包括專用望遠物鏡、標準光收發機和高功率的ER/Yb光放大器等，其中望遠物鏡和光收發送機組合在一起。其關鍵技術是多徑發射和使用放大器補償光通道損耗。
圖2-3 無線光通信系統的原理
在點對點傳輸的情況下，每一端都設有光發射機和光接收機，可以實現全雙工通信。系統所用的基本技術是光電轉換。光發射機的光源受到的電信號的調制，通過作為天線的發射光學系統，將光信號通過大氣信道傳送到接收機望遠鏡；接收機望遠鏡收集接收到光信號并將它聚焦在光檢測其中，光電檢測器將光信號轉換成電信號。
由于大氣空間對不同光波長信號的透過率有較大的差別，FSO系統一般選用透過率較好的波段窗口，最常用的光學波長是近遠紅外光譜中的850nm；還有一些FSO系統使用1500nm波長頻段，可以支持更大的系統功率。
2.2.2 無線光通信系統的性能
當前，雖然無線光通信技術還有待成熟，但它以獨特的方式、顯著的優點，擁有者巨大的潛能。
1.頻帶寬，速率高。
2.頻譜資源豐富。
3.使用多種通信協議。
4.部署鏈路快捷。
5.傳輸保密性好。
2.2.3 無線光通信存在的問題
雖然無線光通信網絡系統獨具魅力，擁有大量潛在的應用市場，但也存在有待完善的地方。目前，其主要問題有：
1.收發端對準問題
FSO是一種視距寬帶通信技術，發射機與接收機之間需要嚴格的視距傳輸條件才能實現通信。當通信設備安裝在高樓的頂部時，風吹，或者樓宇結構中某些部分的熱漲或輕微地震等因素，有時也會導致發射機和接收機無法對準。
2.大氣媒介的影響
惡劣的天氣情況會對FSO的傳播信號產生衰耗作用。空氣中的散射粒子，會使光線在空間、時間和角度上產生不同程度的偏差。
3.傳輸距離與信號質量的矛盾突出
FSO傳輸距離越大，光束就會越寬，接收端收到的光信號質量越差。
4.激光對人體安全問題
激光束的安全性是FSO系統必須考慮的問題。光信號發射功率必須限制在保證人類眼睛
1.光纖傳感器的基本構成和組成原理
光纖傳感器主要由光源、光纖與探測器3部分組成，光源發出的光耦合進光纖，經光纖進入調制區，在調治區內，外界被測參數作用于進入調區內的光信號，是其光學性質如光的強度、相位、偏振態、波長等發生變化成為被調制的信號光，再經過光纖送入光探測器而獲得被測參數，光纖傳感器中的光纖通常由纖芯、包層、樹脂涂層和塑料護套組成，纖芯和包層具有不同的折射率，樹脂涂層對光纖起保護作用，光纖按材料組成分為玻璃光纖和塑料光纖；按光纖纖芯和包層折射率的分布可分為階躍折射率型光纖和梯度折射率光纖兩種。光纖能夠約束引導光波在其內部或表面附近沿軸線方向向前傳播，具有感測和傳輸的雙重功能，是一種非常重要的智能材料。
2.光纖傳感器的類型及特點
光纖傳感器的類型很多，按光纖傳感器中光纖的作用可分為傳感型和傳光型兩種類型。
傳感型光纖傳感器又稱為功能型光纖傳感器，主要使用單模光纖，光纖不僅起傳光作用，同時又是敏感元件，它利用光纖本身的傳輸特性經被測物理量作用而發生變化的特點，使光波傳導的屬性(振幅、相位、頻率、偏振)被調制。因此，這一類光纖傳感器又分為光強調制型，偏振態調制型和波長調制型等幾種。對于傳感型光纖傳感器，由于光纖本身是敏感元件，因此加長光纖的長度可以得到很高的靈敏度。
傳光型光纖傳感器又稱非功能型光纖傳感器，它是將經過被測對象所調制的光信號輸入光纖后，通過在輸出段進行光信號處理而進行測量的。在這類傳感器中，光纖僅作為傳光元件，必須附加能夠對光纖所傳遞的光進行調治的敏感元件才能組成傳感元件。
3.光纖傳感器的應用
光纖傳感器的應用范圍很廣，幾乎涉及國民經濟的所有重要領域和人們的日常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環境中使用，解決了許多行業多年來一直存在的技術難題，具有很大的市場需求。主要表現在以下幾個方面的應用:
(1)城市建設中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應用。光纖傳感器可預埋在混凝土、碳纖維增強塑料及各種復合材料中，用于測試應力松弛、施工應力和動荷載應力從而來評估橋梁短期、施工階段和長期營運狀態的結構性能。
(2)在電力系統，需要測定溫度、電流等參數，如對高壓變壓器和大型電機的定子、轉子內的溫度檢測等，由于電類傳感器易受強電磁場的干擾，無法在這些場合中使用，只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發展起來的一種用于實時測量空間溫度場分布的高新技術，分布式光纖溫度傳感系統不僅具有普通光纖傳感器的優點，還具有對光纖沿線各點的溫度的分布式傳感能力，利用這種特點我們可以連續實時測量光纖沿線幾公里內各點的溫度，定位精度可達米的量級，測溫精度可達1度的水平，非常適用于大范圍多點測溫的應用場合。
(3)在石油化工系統、礦井、大型電廠等，需要檢測氧氣、碳氫化合物、CO等氣體，采用電類傳感器不但達不到要求的精度，更嚴重的是會引起安全事故。因此，研究和開發高性能的光纖氣敏傳感器，可以安全有效地實現上述檢測。
(4)在環境監測、臨床醫學檢測、食品安全檢測等方面，由于其環境復雜，影響因素多，使用其它傳感器達不到所需要的精度，并且易受外界因素的干擾，采用光纖傳感器可以具有很強的抗干擾能力和較高的精度，可實現對上述各領域的生物量的快速、方便、準確地檢測。目前，我國水源的污染情況嚴重，臨床檢驗、食品安全檢測手段比較落后，光纖傳感器在這些領域具有極好的市場前景。
(5)醫學及生物傳感器。醫學臨床應用光纖輻射劑量計、呼吸系統氣流傳感系統;圓錐形微型FOS測量氧氣濃度及其他生物參數;用FOS探測氫氧化物及其他化學污染物;光纖表面細胞質粒基因組共振生物傳感器;生物適應FOS系統應用于海水監測、生化技術、醫藥。
光纖傳感器在實踐中運用到的例子舉不勝舉，這些技術都是多學科的綜合，涵蓋的知識面廣，象光纖陀螺，火花塞光纖傳感器，光纖傳感復合材料，以及利用光纖傳感器對植物葉綠素的研究等等；隨著科技的不斷進步，越來越多的光纖傳感器將面世，它將被應用到生產生活的每一個角落。
4.光纖傳感器的技術發展方向
光纖傳感技術經過20余年的發展也已獲得長足的進步，出現了很多實用性的產品，然而實際的需要是各種各樣的，光纖傳感技術的現狀仍然遠遠不能滿足實際需要。目前，光纖傳感器技術發展的主要方向是。
(1)傳感器的實用化研究。即一種光纖傳感器不僅只針對一種物理量，要能夠對多種物理量進行同時測量。
(2)提高分布式傳感器的空間分辨率、靈敏度，降低其成本，設計復雜的傳感器網絡工程。注意分布式傳感器的參數，即壓力、溫度，特別是化學參數(碳氫化合物、一些污染物、濕度、PH值等)對光纖的影響。
(3)傳感器用特殊光纖材料和器件的研究。例如:增敏和去敏光纖、熒光光纖、電極化光纖的研究等。這些將是以后傳感器進一步發展的趨勢。
(4)在惡劣條件下(高溫、高壓、化學腐蝕)低成本傳感器(支架、連接、安裝)的開發和應用。
(5)新傳感機理的研究，開拓新型光纖傳感器。
參考文獻
[1]肖軍,王穎.光纖傳感技術的研究現狀與展望[J].機械管理開發,2006,6.
[2]吳潔,薛玲玲.光纖傳感器的研究進展[J].激光雜志,2007,5.
[3]吳瓊,吳善波,劉勇,袁長迎.新型光纖傳感器的設計及其特性研究[J].儀表技術與傳感器,2007,11.
[4]李文植.光纖傳感器的發展及其應用綜述,科技創業月刊,2006,7.
[5]閆若穎,王月香,李淑悅.光纖傳感器的應用,科技廣場,2007,1.【論文關鍵詞】：光纖傳感器；光纖光柵；光纖傳感技術；光纖通信
【論文摘要】：介紹了光纖傳感器的基本構成及原理，綜述了近年來光纖傳感器技術的應用和發展，對光纖傳感技術的研究發展方向進行了展望。
作者：喻學鋒等 來源：《傳感器和執行器B：化學》 發布時間：2018/1/9 16:25:44
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科學家研制出黑磷光纖傳感器
近日，中國科學院深圳先進技術研究院研究員呂建成、喻學鋒與英國班戈大學教授陳險峰等合作，成功研制出首個基于黑磷的光纖化學傳感器，實現對重金屬離子的超靈敏檢測。
傾斜光纖光柵是一種新型的光纖器件，大角度傾斜光柵結構能夠將纖芯光學基模前向耦合到光纖包層，在特定的波長形成一系列離散的諧振峰，光的耦合將隨著外界媒質折射率等的變化而變化。因此，傾斜光纖光柵是非常適合作為傳感應用的光子器件。黑磷是近年來廣受關注的一種具有直接帶隙二維半導體材料，具有獨特的二維平面結構、超高的比表面積、眾多的活性位點，以及從可見到紅外廣闊的光譜響應范圍，在光學檢測方面展現出巨大的應用前景。
該研究中，研究團隊首次將黑磷和傾斜光纖光柵相結合，揭示了黑磷納米層獨特的光學調制作用，借助于傾斜光柵這種獨特的光學結構，構建成新型的超靈敏化學傳感器。本研究發展了一種原位層疊的修飾技術，將黑磷納米片高效地附著在光纖器件表面，不同厚度的黑磷納米層展現出對光信號獨特的調制性。利用這一特性，該黑磷光纖傳感器能夠在亞ppb濃度水平檢測到重金屬鉛離子，具有超高的靈敏度、超低的檢測限，以及廣闊的濃度檢測范圍。黑磷新型光纖傳感器的成功研發，將為化學和生物傳感提供一個優越的光學檢測平臺，從而推動黑磷化學生物傳感器的應用研究進程。
相關研究成果發表于Sensors and Actuators B: Chemical。該研究得到了國家自然科學基金、歐盟“第七框架計劃”等的資助。（來源：中國科學院深圳先進技術研究院）
圖.a)：黑磷傾斜光纖光柵器件及其光學調制示意圖，b)：重金屬離子檢測的實驗步驟，c)：不同重金屬離子濃度下TM模式共振的光譜圖，d)：不同重金屬離子濃度下光譜的共振強度圖
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