1 概述
光纖(Optical Fiber) 是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱，20 世紀(jì)后半葉光纖及光纖通訊技術(shù)的發(fā)展是信息革命的重要標(biāo)志之一。光纖作為光波的傳輸媒介，在通信領(lǐng)域中主要用于信息交換。但光纖本身屬于一種物理媒介，許多因素都可以改變它的幾何參數(shù)( 如尺寸、形狀) 和光學(xué)參數(shù)( 如折射率、模式)。和力求減少外部影響的光通訊應(yīng)用不同，光纖傳感反而是故意增強(qiáng)和測(cè)量這些外部因素對(duì)光纖的影響。光纖傳感器是通過發(fā)送光纖脈沖將信息從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方的方法。光形成電磁載波，被調(diào)制以攜帶信息。當(dāng)需要高帶寬、長距離或抗電磁干擾的信號(hào)傳輸環(huán)境時(shí)，光纖要優(yōu)于電纜。許多電信公司使用光纖傳輸電話信號(hào)、互聯(lián)網(wǎng)通信和有線電視信號(hào)。1976 年V. Vali 和R. W. Shorthill 首次報(bào)道并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了光纖陀螺原理，他們使用多匝光纖環(huán)路來增強(qiáng)轉(zhuǎn)動(dòng)探測(cè)的靈敏度。經(jīng)過三十多年的發(fā)展，光纖陀螺在研究方面取得了較大進(jìn)展，一些中低精度的光纖陀螺也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，并在需要高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈等多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用。1978 年，加拿大渥太華通信研究中心的Hill 等人在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行光纖非線性效應(yīng)研究時(shí)，采用駐波法刻寫出了世界上第一根光纖光柵——光纖布拉格光柵(FBG)。光纖光柵傳感技術(shù)具有噪
聲低、調(diào)制信號(hào)穩(wěn)定、測(cè)量準(zhǔn)確性高以及抗干擾能力強(qiáng)等自身特有的優(yōu)點(diǎn)。2012 年，分布式光纖傳感技術(shù)得到高速發(fā)展，基于布里淵散射的光纖分布式傳感技術(shù)：將連續(xù)的探測(cè)光和脈沖的泵浦光分別從光纖的兩端注入，兩束光的頻差等于布里淵頻移，當(dāng)受到溫度影響時(shí)，布里淵頻移將發(fā)生改變，通過測(cè)量光強(qiáng)變化可獲取溫度值。此技術(shù)測(cè)量精度高，能進(jìn)行長距離測(cè)量，受到廣泛關(guān)注與研究。
2 光纖基礎(chǔ)
2.1 光纖結(jié)構(gòu)
光纖由兩層圓柱狀介質(zhì)構(gòu)成，內(nèi)層為纖芯，外層為包層; 纖芯的折射率比包層的折射率稍大，這樣利用全反射的原理把光約束在界面內(nèi)并沿著光纖軸線傳播。單模光纖和多模光纖的主要差別是纖芯的尺寸、纖芯與包層的折射率差值。
2.2 光纖傳光原理
根據(jù)幾何光學(xué)理論, 當(dāng)光線以某一較小的入射角θ1, 由折射率較大的光密物質(zhì)射向折射率較小的光疏物質(zhì)時(shí), 一部分入射光以折射角θ2 折射入光疏物質(zhì), 其余部分以θ1 角度反射回光密物質(zhì), 根據(jù)光的折射定律。利用光的全反射原理，只要使射入光纖端面的光線與光軸的夾角小于一定值，使得光纖中的光線發(fā)生全反射時(shí)，則光線射不出光纖的纖芯( 纖芯折射率> 包層折射率)。光線在纖芯和包層的界面上不斷地發(fā)生全反射，經(jīng)過若干次的全反射，光就能從光纖的一端以光速傳播到另一端，這就是光纖導(dǎo)光的基本原理。
3 光纖傳感器的原理
光纖傳感器由光源、入射光纖、出射光纖、光調(diào)制器、光探測(cè)器及解調(diào)器組成。其基本原理是將光源的光經(jīng)入射光纖送入調(diào)制區(qū)，光在調(diào)制區(qū)內(nèi)與外界被測(cè)參數(shù)相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)( 如強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等) 發(fā)生化學(xué)變化而成為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)出射光纖送入光探測(cè)器、解調(diào)器而獲得被測(cè)參數(shù)。
4 光纖傳感器的發(fā)展
光纖傳感器發(fā)展較為曲折，1975 年軍用及工業(yè)應(yīng)用開發(fā)，光纖陀螺概念提出，光時(shí)域反射計(jì)提出。1977 年美國FOSS 計(jì)劃，第一只光纖光柵制造成功。1987 年光子晶體光纖概念出現(xiàn)，第一代工業(yè)設(shè)備制造成功。1995 年石油和天然氣首次實(shí)地實(shí)驗(yàn)。2005 年全光纖分布式系統(tǒng)出現(xiàn)。近年來，光纖傳感在機(jī)械、電子儀器儀表、航天航空等領(lǐng)域的生產(chǎn)過程自動(dòng)控制、在線檢測(cè)、故障診斷等方面，得到了卓有成效的發(fā)展和推廣。
4.1 干涉型光纖傳感器
當(dāng)環(huán)境介質(zhì)的折射率發(fā)生變化( 如振動(dòng)或溫度變化等引起)，傳感光纖經(jīng)過此處時(shí)的光波相位會(huì)發(fā)生變化。對(duì)傳感光纖中的相干光進(jìn)行相位調(diào)制，檢測(cè)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。
4.2 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。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。利用光在纖芯一包層界面發(fā)生全內(nèi)反射時(shí)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(cè)樣品的參數(shù)變化。表面等離子體共振（SPR）是由入射光刺激的負(fù)介電常數(shù)材料和正介電常數(shù)材料之間的界面處的傳導(dǎo)電子的共振振蕩。當(dāng)入射光子的頻率與表面電子的固有頻率相對(duì)于正核的恢復(fù)力振蕩時(shí)，建立共振條件。亞波長尺度納米結(jié)構(gòu)中的SPR 可以是極性的或等離子體的。
5 光纖傳感器的應(yīng)用
5.1 土木工程方面
城市建設(shè)中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應(yīng)用。能有效實(shí)現(xiàn)高速傳輸信息化數(shù)據(jù), 根據(jù)實(shí)際的工作需求進(jìn)行通訊建設(shè), 不同的參建人員能夠避免重復(fù)施工, 使人力、物力、財(cái)力損耗減少。
5.2 電力系統(tǒng)方面
在電力系統(tǒng)，需要測(cè)定溫度、電流等參數(shù)，如對(duì)高壓變壓器和大型電機(jī)的定子, 轉(zhuǎn)子內(nèi)的溫度檢測(cè)等，由于電類傳感器易受強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾，無法在這些場(chǎng)合中使用，只能用光纖傳感器。
5.3 生物醫(yī)學(xué)方面
光纖傳感器有不受射頻和微波的干擾，絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)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(xué)等領(lǐng)域的PH 值測(cè)量、血液流速測(cè)量、醫(yī)用圖像傳輸?shù)确矫妗９饫w傳感器醫(yī)學(xué)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）是一種控制系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信和圖形用戶界面進(jìn)行高級(jí)過程監(jiān)控管理。
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