光纖水傳感器：一文讀懂光纖傳感器

光纖水傳感器：一文讀懂光纖傳感器

原標題：一文讀懂光纖傳感器

光纖最早是應用于光的傳輸，適合長距離傳遞信息，是現代信息社會光纖通信的基石。光波在光纖中傳播的特征參量會因外界因素的作用而間接或直接地發生變化，由此光纖傳感器就能分析探測這些物理量、化學量和生物量的變化。

光纖傳感器

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。

光纖傳感器的分類

光纖傳感器按結構類型可分兩大類：一類是功能型（傳感型）傳感器；另一類是非功能性（傳光型）傳感器。

功能型傳感器

利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特殊光纖)作為傳感元件，對光纖內傳輸的光進行調制，使傳輸的光的強度、相位、頻率或偏振態等特性發生變化，再通過被調制過的信號進行解調，從而得出被測信號。

光纖在其中不僅是導光媒質，而且也是敏感元件，多采用多模光纖。

優點：結構緊湊，靈敏度高。缺點：須用特殊光纖，成本高。典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。

非功能型傳感器

是利用其它敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質，常采用單模光纖。光纖在其中僅起導光作用，光照在光纖型敏感元件上被測量調制。

優點：無需特殊光纖及其他特殊技術，比較容易實現，成本低。缺點：靈敏度較低。實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。

根據被調制的光波的性質參數不同，這兩類光纖傳感器都可再分為強度調制光纖傳感器、相位調制光纖傳感器、頻率調制光纖傳感器、偏振態調制光纖傳感器和波長調制光纖傳感器。

1） 強度調制型光纖傳感器

基本原理是待測物理量引起光纖中傳輸光光強的變化，通過檢測光強的變化實現對待測量的測量。一恒定光源發出的強度為的光注入傳感頭，在傳感頭內，光在被測信號的作用下其強度發生了變化，即受到了外場的調制，使得輸出光強的包絡線與被測信號的形狀一樣，光電探測器測出的輸出電流也作同樣的調制，信號處理電路再檢測出調制信號，就得到了被測信號。

這類傳感器的優點是結構簡單、成本低、容易實現，因此開發應用的比較早，現在已經成功的應用在位移、壓力、表面粗糙度、加速度、間隙、力、液位、振動、輻射等的測量。強度調制的方式很多，大致可分為反射式強度調制、透射式強度調制、光模式強度調制以及折射率和吸收系數強度調制等等。

一般反射式強度調制、透射式強度調制、折射率強度調制稱為外調制式，光模式稱為內調制式。但是由于原理的限制，它易受光源波動和連接器損耗變化等的影響，因此這種傳感器只能用于干擾源較小的場合。

2） 相位調制型光纖傳感器

基本原理是：在被測能量場的作用下，光纖內的光波的相位發生變化，再用干涉測量技術將相位的變化轉換成光強的變化，從而檢測到待測的物理量。相位調制型光纖傳感器的優點是具有極高的靈敏度，動態測量范圍大，同時響應速度也快，其缺點是對光源要求比較高同時對檢測系統的精密度要求也比較高，因此成本相應較高。

目前主要的應用領域為：利用光彈效應的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器；利用賽格納克效應的旋轉角速度傳感器(光纖陀螺)等。

3） 頻率調制型光纖傳感器

基本原理是利用運動物體反射或散射光的多普勒頻移效應來檢測其運動速度，即光頻率與光接收器和光源間運動狀態有關。當它們相對靜止時，接收到光的振蕩頻率；當它們之間有相對運動時，接收到的光頻率與其振蕩頻率發生頻移，頻移大小與相對運動速度大小和方向有關。

因此，這種傳感器多用于測量物體運動速度。頻率調制還有一些其他方法，如某些材料的吸收和熒光現象隨外界參量也發生頻率變化，以及量子相互作用產生的布里淵和拉曼散射也是一種頻率調制現象。其主要應用是測量流體流動，其它還有利用物質受強光照射時的拉曼散射構成的測量氣體濃度或監測大氣污染的氣體傳感器；利用光致發光的溫度傳感器等。

4） 偏振態調制型光纖傳感器

基本原理是利用光的偏振態的變化來傳遞被測對象信息。

光波是一種橫波，它的光矢量是與傳播方向垂直的。如果光波的光矢量方向始終不變，只是它的大小隨相位改變，這樣的光稱為是線偏振光。光矢量與光的傳播方向組成的平面為線偏振光的振動面。

如果光矢量的大小保持不變，而它的方向繞傳播方向均勻的轉動，光矢量末端的軌跡是一個圓，這樣的光稱為圓偏振光。如果光矢量的大小和方向都在有規律的變化，且光矢量的末端沿一個橢圓轉動，這樣的光稱為橢圓偏振光。

利用光波的偏振性質，可以制成偏振調制光纖傳感器。在許多光纖系統中，尤其是包含單模光纖的那些系統，偏振起著重要的作用。許多物理效應都會影響或改變光的偏振狀態，有些效應可引起雙折射現象。所謂雙折射現象就是對于光學性質隨方向而異的一些晶體，一束入射光常分解為兩束折射光的現象。光通過雙折射媒質的相位延遲是輸入光偏振狀態的函數。

偏振態調制光纖傳感器檢測靈敏度高，可避免光源強度變化的影響，而且相對相位調制光纖傳感器結構簡單、且調整方便。其主要應用領域為：利用法拉第效應的電流、磁場傳感器；利用泡爾效應的電場、電壓傳感器；利用光彈效應的壓力、振動或聲傳感器；利用雙折射性的溫度、壓力、振動傳感器。目前最主要的還是用于監測強電流。

5）波長調制型光纖傳感器

傳統的波長調制型光纖傳感器是利用傳感探頭的光譜特性隨外界物理量變化的性質來實現的。

此類傳感器多為非功能型傳感器。在波長調制的光纖探頭中，光纖只是簡單的作為導光用，即把入射光送往測量區，而將返回的調制光送往分析器。光纖波長探測技術的關鍵是光源和頻譜分析器的良好性能，這對于傳感系統的穩定性和分辨率起著決定性的影響。

光光纖波長調制技術主要應用于醫學、化學等領域。例如，對人體血氣的分析、PH值檢測、指示劑溶液濃度的化學分析、磷光和熒光現象分析、黑體輻射分析和法布里一珀羅濾光器等。而目前所稱的波長調制型光纖傳感器主要是指光纖布拉格光柵傳感器（FBG）。

光纖傳感器的特點和優勢

光纖傳感器有極高的靈敏度和精度、固有的安全性好、抗電磁干擾、高絕緣強度、耐腐蝕、集傳感與傳輸于一體、能與數字通信系統兼容等優點。概括如下：

(1)高靈敏度；

(2)輕細柔韌便于安裝埋設；

(3)電絕緣性及化學穩定性。光纖本身是一種高絕緣、化學性能穩定的物質，適用于電力系統及化學系統中需要高壓隔離和易燃易爆等惡劣的環境中；

(4)良好的安全性。光纖傳感器是電無源的敏感元件，故應用于測量中時，不存在漏電及電擊等安全隱患；

(5)抗電磁干擾。一般情況下光波頻率比電磁輻射頻率高,因此光在光纖中傳播不會受到電磁噪聲的影響；

(6)可分布式測量。一根光纖可以實現長距離連續測控，能準確測出任一點上的應變、損傷、振動和溫度等信息，并由此形成具備很大范圍內的監測區域，提高對環境的檢測水平；

(7)使用壽命長。光纖的主要材料是石英玻璃，外裹高分子材料的包層，這使得它具有相對于金屬傳感器更大的耐久性；

(8)傳輸容量大。以光纖為母線，用傳輸大容量的光纖代替笨重的多芯水下電纜采集收納各感知點的信息，并且通過復用技術，來實現對分布式的光纖傳感器監測。

分布式光纖傳感器

分布式光纖傳感技術是在70年代末提出的，它是隨著現在光纖工程中仍應用十分廣泛的光時域反射（OTDR）技術的出現而發展起來的。在這十幾年里，產生了一系列分布式光纖傳感機理和測量系統，并在多個領域得以逐步應用。目前，這項技術已成為光纖傳感技術中最具前途的技術之一。

分布式光纖傳感器是采用獨特的分布式光纖探測技術，對沿光纖傳輸路徑上的空間分布和隨時間變化信息進行測量或監控的傳感器。利用光波在光纖中傳輸的特性，可沿光纖長度方向連續的傳感被測量（如溫度、壓力、應力和應變等），光纖既是傳感介質，又是被測量的傳輸介質。它將傳感光纖沿場排布，可以同時獲得被測場的空間分布和隨時間的變化信息，

分布式光纖傳感器有以下一些特點：

1）分布式光纖傳感系統中的傳感元件僅為光纖；

2）一次測量就可以獲取整個光纖區域內被測量的一維分布圖，將光纖架設成光柵狀，就可測定被測量的二維和三維分布情況；

3）系統的空間分辨力一般在米的量級，因而對被測量在更窄范圍的變化一般只能觀測其平均值；

4）系統的測量精度與空間分辨力一般存在相互制約關系；

5）檢測信號一般較微弱，因而要求信號處理系統具有較高的信噪比；

6）由于在檢測過程中需進行大量的信號加法平均、頻率的掃描、相位的跟蹤等處理，因而實現一次完整的測量需較長的時間。

由于光纖電纜不易被電磁干擾，因此，分布式光纖溫度傳感系統通常用于電力電纜熱點區位的溫度監控和測量。對惡劣環境的把握和管理以及改善野外作業環境需求是促進分布式光纖溫度傳感系統市場穩定增長的主要原因。同時，傳感器電纜部署的技術難題也是這一市場發展面臨的主要障礙。

隨著應用越來越廣泛，現在分布式光纖傳感器主要用于6大領域，包括管道和近海石油平臺等的結構檢測；液體管道和大壩的滲漏探測；路面結冰探測、鐵路監測；安全系統探測、電力電纜監視；光纖通信生產監測；環境監測和長期溫度測量。

光纖傳感技術研究伴隨著光纖技術和光通信技術，迅猛發展起來的一種新型傳感技術。近年來，光纖傳感在機械、電子儀器儀表、航天航空、石油、化工、食品安全等領域的生產過程自動控制、在線檢測、故障診斷等方面，得到了卓有成效的發展和推廣。

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責任編輯：

光纖水傳感器：一種光纖水質傳感器

摘要：

本實用新型提供一種光纖水質傳感器,包括取樣容器,過濾器安裝座,吊環,浮球,配重塊,繩索等,所述入射光纖接口和出射光纖接口對稱設置于取樣容器左右兩側,所述取樣容器上部和下部分別設有一個過濾器安裝座,所述過濾器安裝座內設有過濾器,所述入射光學準直透鏡設置于入射光纖接口處,所述出射光學準直透鏡設置于出射光纖接口處,所述入射光纖連接入射光學準直透鏡,出射光纖連接出射光學準直透鏡,兩個所述過濾器安裝座的左右兩側均設有吊環,其中一個過濾器安裝座上的吊環通過繩索連接浮球,另一個過濾器安裝座上的吊環通過繩索連接配重塊.使用時光纖不直接承重,光纖不易受損或松動,配重塊的增加可以在水流不穩定時增加穩定性.

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光纖水傳感器：一種光纖水質傳感器的制作方法

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技術編號：

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一種光纖水質傳感器[0001]本實用新型屬于傳感器，尤其涉及一種光纖水質傳感器。背景技術[0002]隨著工業化進程的發展，水環境污染情況越發嚴重，對水質進行有效檢測尤為迫切。水質的好壞一般用水質參數來評價，目前水質參數指標檢測常規方法包括化學分析法、分光光度計法、原子光譜法、質譜法等?；瘜W分析法主要通過采樣后化學滴定，基于物質之間的反應，間接獲得待測物含量，檢測繁瑣，檢測周期為長，同時會帶來二次污染；分光光度計法主要是基于朗伯比爾定律，通過定標實驗建立特定...
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光纖傳感器
（光信號的傳感器）
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本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目
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光纖傳感器是一種將被測對象的狀態轉變為可測的光信號的傳感器。光纖傳感器的工作原理是將光源入射的光束經由光纖送入調制器，在調制器內與外界被測參數的相互作用， 使光的光學性質如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等發生變化，成為被調制的光信號，再經過光纖送入光電器件、經解調器后獲得被測參數。整個過程中，光束經由光纖導入，通過調制器后再射出，其中光纖的作用首先是傳輸光束，其次是起到光調制器的作用。
[1]
中文名
光纖傳感器
外文名
fibre optic sensor
直 徑
125 μm
壓力范圍
±300 mmHg
決 心
<0.4 mmHg 零熱效應 0.4 mmHg / °C 運行溫度 10 – 50°C 特 點 安裝簡單，電路連接更簡單容易 目錄 1 發展方向 2 原理 3 性能 4 特點 5 分類 ? 功能型 ? 非功能光纖型 ? 布拉格光柵 ? 傳光型光纖 6 應用 7 案例 ? 土木工程領域 ? 檢測技術 ? 石油工業 ? 溫度測量 ? 楊氏模量 8 環境分析 9 行業分析 10 組成結構 11 發展前景 光纖傳感器發展方向 編輯 語音 傳感器在朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員備受青睞。光纖具有很多優異的性能，例如：具有抗電磁和原子輻射干擾的性能，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。特點1、因反射體中使用了棱鏡，所以與通用的反射型光控傳感器器相比，其檢測性能更高、更可靠2 、與分離式光控傳感器相比，電路連接更簡單容易。3、 子母扣嵌入式的設計，安裝更為簡單用途1、用于電話、網絡寬帶等數字型號傳輸。2、用于自動售貨機、金融終端有關的設備、點鈔機的紙幣、卡、硬幣、存折等的通過情況3、用于自動化設備上產品定位、計數、識別。 [2] 光纖傳感器原理 編輯 語音 光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經過光纖送入調制器，使待測參數與進入調制區的光相互作用后，導致光的光學性質（如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等）發生變化，稱為被調制的信號光，再利用被測量對光的傳輸特性施加的影響，完成測量。光纖傳感器的測量原理有兩種。（1）物性型光纖傳感器原理，物性型光纖傳感器是利用光纖對環境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調制的光信號。其工作原理基于光纖的光調制效應，即光纖在外界環境因素，如溫度、壓力、電場、磁場等等改變時，其傳光特性，如相位與光強，會發生變化的現象。因此，如果能測出通過光纖的光相位、光強變化，就可以知道被測物理量的變化。這類傳感器又被稱為敏感元件型或功能型光纖傳感器。激光器的點光源光束擴散為平行波，經分光器分為兩路，一為基準光路，另一為測量光路。外界參數(溫度、壓力、振動等)引起光纖長度的變化和相位的光相位變化，從而產生不同數量的干涉條紋，對它的模向移動進行計數，就可測量溫度或壓等。（2）結構型光纖傳感器原理，結構型光纖傳感器是由光檢測元件(敏感元件)與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統。其中光纖僅作為光的傳播媒質，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。 [2] 光纖傳感器性能 編輯 語音 光纖具有很多優異的性能，例如：具有抗電磁和原子輻射干擾的性能，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，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。 [2] 光纖傳感器特點 編輯 語音 一、靈敏度較高；二、幾何形狀具有多方面的適應性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；三、可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉等）的器件；四、可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環境；五、而且具有與光纖遙測技術的內在相容性。光纖傳感器的優點是與傳統的各類傳感器相比，光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質，具有光纖及光學測量的特點，有一系列獨特的優點。電絕緣性能好，抗電磁干擾能力強，非侵入性，高靈敏度，容易實現對被測信號的遠距離監控，耐腐蝕，防爆，光路有可撓曲性，便于與計算機聯接。傳感器朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發展，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。 [2] 光纖傳感器分類 編輯 語音 根據光受被測對象的調制形式可以分為：強度調制型、偏振態制型、相位制型、頻率制型；根據光是否發生干涉可分為：干涉型和非干涉型；根據是否能夠隨距離的增加連續地監測被測量可分為：分布式和點分式；根據光纖在傳感器中的作用可以分為：一類是功能型（Functional Fiber，縮寫為FF)傳感器，又稱為傳感型傳感器； 另一類是非功能型（Non Functional Fiber縮寫為NFF)，又稱為傳光型傳感器。 [3] 光纖傳感器功能型 功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件， 被測量對光纖內傳輸的光進行調制， 使傳輸的光的強度、相位、頻率或偏振態等特性發生變化， 再通過對被調制過的信號進行解調， 從而得出被測信號。光纖在其中不僅是導光媒質，而且也是敏感元件，光在光纖內受被測量調制，多采用多模光纖。優點：結構緊湊、靈敏度高。缺點：須用特殊光纖，成本高，典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。 [3] 光纖傳感器非功能光纖型 非功能型光纖傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化， 光纖僅作為信息的傳輸介質，常采用單模光纖。光纖在其中僅起導光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測量調制。優點：光纖即可用于電氣隔離，有用于數據傳輸，且光纖傳輸的信號不受電磁干擾的影響。實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。AnyWay的變頻電壓傳感器、變頻電流傳感器、變頻功率傳感器（一種電壓、電流組合式傳感器）就屬于非功能型的光纖傳感器，在復雜電磁環境下的電量測量中，有其獨到的優勢。光纖傳感器是最近幾年出現的新技術，可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現有測量技術難以完成的測量任務。在狹小的空間里，在強電磁干擾和高電壓的環境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。光纖傳感器有70多種，大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。所謂光纖自身的傳感器，就是光纖自身直接接收外界的被測量。外接的被測量物理量能夠引起測量臂的長度、折射率、直徑的變化，從而使得光纖內傳輸的光在振幅、相位、頻率、偏振等方面發生變化。測量臂傳輸的光與參考臂的參考光互相干涉（比較），使輸出的光的相位(或振幅)發生變化，根據這個變化就可檢測出被測量的變化。光纖中傳輸的相位受外界影響的靈敏度很高，利用干涉技術能夠檢測出10的負4次方弧度的微小相位變化所對應的物理量。利用光纖的繞性和低損耗，能夠將很長的光纖盤成直徑很小的光纖圈，以增加利用長度，獲得更高的靈敏度。光纖聲傳感器就是一種利用光纖自身的傳感器。當光纖受到一點很微小的外力作用時，就會產生微彎曲，而其傳光能力發生很大的變化。聲音是一種機械波，它對光纖的作用就是使光纖受力并產生彎曲，通過彎曲就能夠得到聲音的強弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種，與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本低，可以用于飛機、艦船、導彈等的高性能慣性導航系統。。 [3] 光纖傳感器布拉格光柵 光纖布拉格光柵傳感器的工作原理 光纖布拉格光柵傳感器（FBS）是一種使用頻率最高，范圍最廣的光纖傳感器，這種傳感器能根據環境溫度以及/或者應變的變化來改變其反射的光波的波長。光纖布拉格光柵是通過全息干涉法或者相位掩膜法來將一小段光敏感的光纖暴露在一個光強周期分布的光波下面。這樣光纖的光折射率就會根據其被照射的光波強度而永久改變。這種方法造成的光折射率的周期性變化就叫做光纖布拉格光柵。當一束廣譜的光束被傳播到光纖布拉格光柵的時候，光折射率被改變以后的每一小段光纖就只會反射一種特定波長的光波，這個波長稱為布拉格波長，這種特性就使光纖布拉格光柵只反射一種特定波長的光波，而其它波長的光波都會被傳播。按光纖在光纖傳感器中的作用可分為傳感型和傳光型兩種類型。傳感型光纖傳感器的光纖不僅起傳遞光作用，同時又是光電敏感元件。由于外界環境對光纖自身的影響，待測量的物理量通過光纖作用于傳感器上，使光波導的屬性(光強、相位、偏振態、波長等)被調制。傳感器型光纖傳感器又分為光強調制型、相位調制型、振態調制型和波長調制型等。 [3] 光纖傳感器傳光型光纖 傳光型光纖傳感器是將經過被測對象所調制的光信號輸入光纖后，通過在輸出端進行光信號處理而進行測量的，這類傳感器帶有另外的感光元件對待測物理量敏感，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制的敏感元件才能組成傳感元件。光纖傳感器根據其測量范圍還可分為點式光纖傳感器、積分式光纖傳感器、分布式光纖傳感器三種。其中，分布式光纖傳感器被用來檢測大型結構的應變分布，可以快速無損測量結構的位移、內部或表面應力等重要參數。用于土木工程中的光纖傳感器類型主要有Math-Zender干涉型光纖傳感器，Fabry-pero腔式光纖傳感器，光纖布喇格光柵傳感器等。光纖傳感器的輕巧性、耐用性和長期穩定性，使其能夠方便的應用于建筑鋼結構和混凝土等各種建筑材料的內部應力、應變檢測。實現的建筑結構的健康檢測。光纖傳感器的另外一個大類是利用光纖的傳感器。其結構大致如下：傳感器位于光纖端部，光纖只是光的傳輸線，將被測量的物理量變換成為光的振幅，相位或者振幅的變化。在這種傳感器系統中，傳統的傳感器和光纖相結合。光纖的導入使得實現探針化的遙測提供了可能性。這種光纖傳輸的傳感器適用范圍廣，使用簡便，但是精度比第一類傳感器稍低。光纖在傳感器家族中是后起之秀，它憑借著光纖的優異性能而得到廣泛的應用，是在生產實踐中值得注意的一種傳感器。光纖傳感器憑借著其大量的優點已經成為傳感器家族的后起之秀，并且在各種不同的測量中發揮著自己獨到的作用，成為傳感器家族中不可缺少的一員。 [3] 光纖傳感器應用 編輯 語音 絕緣于污穢、磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉矩、光聲、電流，光纖傳感器可用于位移、震動、轉動、壓力、彎曲、應變、速度、加速度、電流、磁場、電壓、濕度、溫度、聲場、流量、濃度、PH值和應變等物理量的測量。光纖傳感器的應用范圍很廣，幾乎涉及國民經濟和國防上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：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，從而評估橋梁短期施工階段和長期營運狀態的結構性能。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電磁場的干擾，無法在這類場合中使用，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遍光纖傳感器的優點，還具有對光纖沿線各點的溫度的分布傳感能力，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溫度，定位精度可達米的量級，測量精度可達1度的水平，非常適用大范圍交點測溫的應用場合。此外，光纖傳感器還可以應用于鐵路監控、火箭推進系統以及油井檢測等方面。光纖同時具備寬帶、大容量、遠距離傳輸和可實現多參數、分布式、低能耗傳感的顯著優點。光纖傳感可以不斷汲取光纖通信的新技術、新器件，各種光纖傳感器有望在物聯網中得到廣泛應用。 [4] 光纖傳感器案例 編輯 語音 光纖傳感器土木工程領域 隨著光纖傳感器技術的發展，在土木工程領域光纖傳感器得到了廣泛的應用，用來測量混凝土結構變形及內部應力，檢測大型結構、橋梁健康狀況等，其中最主要的都是將光纖傳感器作為一種新型的應變傳感器使用。光纖傳感器可以黏貼在結構物表面用于測量，同時也可以通過預埋實現結構物內部物理量的測量。利用預先埋入的光纖傳感器，可以對混凝土結構內部損傷過程中內部應變的測量，再根據荷載－應變關系曲線斜率，可確定結構內部損傷的形成和擴展方式。通過混凝土實驗表明，光纖測試的載荷－應變曲線比應變片測試的線性度高。
[5]
光纖傳感器檢測技術
光纖傳感器在航天（飛機及航天器各部位壓力測量、溫度測量、陀螺等）、航海（聲納等）、石油開采（液面高度、流量測量、二相流中空隙度的測量）、電力傳輸（高壓輸電網的電流測量、電壓測量）、核工業（放射劑量測量、原子能發電站泄露劑量監測）、醫療（血液流速測量、血壓及心音測量）、科學研究（地球自轉）等眾多領域都得到了廣泛應用。
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光纖傳感器石油工業
在石油測井技術中，可以利用光纖傳感器實現井下石油流量、溫度、壓力和含水率等物理量的測量。較成熟的應用是采用非本征光纖F—P腔傳感器測量井下的壓力和溫度。非本征光纖F-P腔傳感器利用光的多光束干涉原理，當被測的溫度或者壓力發生變化時干涉條紋改變，光纖F—P腔的腔長也隨之發生變化，通過計算腔長的變化實現溫度和壓力的測量。
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光纖傳感器溫度測量
光纖傳感技術是伴隨光通信的迅速發展而形成的新技術。在光通信系統中，光纖是光波信號長距離傳輸的媒質。當光波在光纖中傳輸時，表征光波的相位、頻率、振幅、偏振態等特征參量，會因溫度、壓力、磁場、電場等外界因素的作用而發生變化，故可以將光纖用作傳感器元件，探測導致光波信號變化的各種物理量的大小，這就是光纖傳感器。利用外界因素引起光纖相位變化來探測物理量的裝置，稱為相位調制傳感型光纖傳感器，其他還有振幅調制傳感型、偏振態調制型、傳光型等各種光纖傳感器。
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光纖傳感器楊氏模量
采用傳感器測量儀代替光杠桿鏡尺組組成新的楊氏模量測量系統，不僅操作簡短，而且提高了測量結果的精確度和準確度。金屬絲傳統的拉伸法的基本原理是將金屬絲受到砍碼的作用力后的微小伸長形變量通過鏡尺組的光路轉換而將之放大若干倍數，從而得到微小伸長，再通過計算得到楊氏模量值。而自從有了傳感器，我們把光纖傳感器測量新方法和上述方法對比，光纖傳感器的測量在靈敏度、精確度及準確度上都有提高。紅外光測距系統測量的基本原理為采用紅外光光纖傳感器直接測量微小位移，紅外光光纖傳感器對于3mm以內的微小距離測量的線性度是非常高的。系統由傳感器測量儀與反射式光纖位移傳感器組成．反射式光纖位移傳感器的工作原理是采用兩束多模光纖，一端合并組成光纖探頭，另一端分為兩束，分別作為接收光纖和光源光纖。當光發射器發生的紅外光，經光源光纖照射至反射體，被反射的光經接收光纖，傳至光電轉換元件將接收到的光信號轉換為電信號。其輸出的光強與反射體距光纖探頭的距離之間存在一定的函數關系，所以可通過對光強的檢測得到位移量。在楊氏模量儀的金屬絲處的圓柱體上利用磁鐵固定鍍鎳反射金屬片，使其能隨鋼絲伸長而移動。在支架臺上固定紅外傳感器，而后在傳感器測量儀上通過改變位移將實驗得到的電勢差值，通過多次測試，既轉動傳感器測量儀自帶的螟旋測微儀，也即改變探頭與金屬片的距離和位置，當出現實驗記錄的鋼絲仲長所對應的電勢差值時，記錄此時的螺旋測微儀讀數。測試表明采用紅外光測距此方法操作簡單。只需將探頭和反射片安裝好后就可以直接開始在托盤上加法碼實際測量了，側量的結果是明顯優于傳統測試。
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光纖傳感器環境分析
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語音
隨著中國工業自動化應用環境的不斷發展，儀器儀表行業日新月異，當前儀器儀表行業面臨新的發展，這一行業的十二五規劃(草案)，也根據新時期的要求，提出了重點發展的若干關鍵技術，這對行業未來發展無疑有著重要的指導意義。新型傳感器技術包括固態硅傳感器技術、光纖傳感技術、生物芯片技術、基因芯片技術、圖像傳感器技術、全固態慣性傳感器技術等?！笆濉睂⒁灾悄軅鞲衅髯鳛橹攸c，進行關鍵技術攻關。在光纖傳感領域，重點發展新原理、新效應的傳感技術，傳感器智能技術，傳感器網絡技術，微型化和低功耗技術以及傳感器陣列及多功能多參數設計、制造和封裝技術。目前有數百個單位在這一領域開展工作，如清華大學、復旦大學、天津大學、重慶大學、北京航空航天大學等，他們在光纖溫度傳感器、壓力計、流量計、液位計、電流計等領域進行了大量研究。此外，在武漢、上海、廣東、深圳等地，還建立了許多光纖無源器件生產廠家，市場規模達到1200億元以上。(一)影響行業發展的有利因素分析國家科委于1987年4月制定的《傳感器發展政策》白皮書確定了必須大力發展傳感器技術，特別是要把新型傳感器技術作為優先領域予以發展。1991年 12月30日《中共中央關于制定國民經濟和社會發展的十年規劃和八五計劃的建議》中第21條明確了要大力加強傳感器的開發和在國民經濟中的普遍應用。(二)影響行業發展的不利因素分析雖然光纖傳感器技術在實際檢測中取得了一些應用，但仍存在一些問題，如光纖埋入結構的工藝問題，雖然可以通過安裝方式得到改善，但同時也導致了應變要先經過金屬傳遞，然后再由光纖間接感應到應變，因此需要通過實驗修正才能夠進行準確測量。同時光纖傳感器的輸出信號會受到光源波動、光纖傳輸損耗變化、探測器老化等因素的影響，這些因素都會降低光纖傳感器測量的準確性。再者目前光纖傳感器實用性還有待開發，同時其制作成本相當昂貴。目前光纖傳感器很大一部分產品還在實驗室階段，因此需要將實驗結果盡快投入到使用中去。隨著市場逐漸開放和中國投資環境的改善以及全球化經濟的進程加速，各國傳感器廠家紛紛進入中國市場，這加劇了市場的競爭。中國本土傳感器技術水平與世界水平相比仍存在很大差距，這種差距一方面表現為傳感器在感知信息方面的落后，另一方面則表現為傳感器自身在智能化和網絡化方面的技術落后。國產企業形成了“外強中干”的局面，不僅失去了中高端產品市場，而且直接導致自己能生產的產品品種單一，同質化嚴重，國產傳感器價格優勢明顯，但質量上與國外產品相比仍存在一定差距，一般應用在對信號要求不高的區域。
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光纖傳感器行業分析
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語音
光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經過光纖送入調制器，使待測參數與進入調制區的光相互作用后，導致光的光學性質（如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等）發生變化，成為被調制的信號光，在經過光纖送入光探測器，經解調后，獲得被測參數。由于在傳統終端市場的應用可能性擴大以及新應用領域的新興機會所推動，2013年全球光纖傳感器市場規模為18.9億美元。預計，到2020年，全球光纖傳感器市場預計達35億美元（約合人民幣217.2億元）。傳統終端市場包括航空航天、國防、石油天然氣開采、基礎設施發展和電信行業。傳統終端市場的發展將繼續推進全球光纖傳感器市場的增長。通信行業從3G到4G網絡的持續過渡、關注智能結構的增長、基礎設施建設的新興增長、石油天然氣領域的發展都為市場增長提供了重要機遇。尤其是在新興市場中，如中國和印度，增長的制造活動、上升的汽車需求、穩定的基礎設施建設活動以及國防支出的增加，都成為全球光纖傳感器行業發展的驅動因素。
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光纖傳感器組成結構
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語音
光纖傳感器網的三種基本構成。光纖傳感器網有三種基本構成，其中一個叫單點式傳感器。一根光纖在這里僅僅起到傳輸的作用，另外一種叫多點式傳感器，在這里一根光纖把很多傳感器串起來，這樣很多傳感器可以共用光源實現網絡性監測。再有就是智能光纖傳感器。多點式光纖傳感器，從外表看就是一節光柵，通過紫外線照射發現有周期性的間隔。當有光纖入射的時候，如果光纖的波長正好等于間隔的兩倍，那么這個光波將會受到強烈的反射，而如果光纖受到溫度變化或者應變等等，這個反射波長將會發生變化，這種傳感器在一根光纖上可以做很多個，把它連接起來就可以用于各種各樣的傳感應用。因為光纖是軟的，它可以兩維、三維，所以橫軸是空間的位置，縱軸是測量對象。這樣一個傳感網解決了什么問題呢?它解決了在什么位置上發生了什么事情，那個事情有多少個強度的問題，也就是提供了兩維的信息。這就是智能光纖傳感器所需要解決的問題，它有非常突出的特點要求，包括體積小、強度高、穩定性好，可植入材料中?？闺姶鸥蓴_、耐環境。
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光纖傳感器已經成功應用于飛機結構監測。我們看到A-380和波音787，它們的特點是超過一半數量是碳纖維，比如說碳纖維符合樹脂有幾種缺失，一個是層與層之間的剝離，由于這種材料比較強，所以很難像鋁合金材料那樣實行碳酸檢測，所以研究人員現在開始研究把光纖傳感器埋到復合材料當中去，由于這種材料一層大概125微米的厚度，所以這種光纖傳感器必須是特別細小的光纖傳感器，大概直徑在50個微米左右。我們說光纖傳感器網可以成為安全安心社會的神經網。光纖傳感器網可以用于光纖通訊網的診斷技術。光纖傳感器網在安防方面已經有很多的應用，國內有很多企業在這方面開展了卓有成效的工作。
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光纖傳感器發展前景
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國內市場上，應用最為廣泛的光纖傳感技術當屬布拉格光纖光柵和基于光時域反射的分布式傳感器，這種技術基本上可以滿足中低端市場的需求。而現在光譜線寬窄至2kHz的單頻光纖激光器及其引申出來的最新一代光傳感技術，這與傳統的光纖傳感有很大的區別，它可以進行超遠距離的傳輸，精度和敏感度能達到更高的要求，這在高端市場上需求很大，21世紀初，該項技術在國內尚處于立項和預研階段。國內市場上光纖傳感器應用主要在以下四種：光纖陀螺、光纖光柵傳感器、光纖電流傳感器和光纖水聽器。下面對這四種產品分別介紹一下。一、光纖陀螺。 光纖陀螺按原理可分為干涉型、諧振型和布里淵型，這是三代光纖陀螺的代表。第一代干涉型光纖陀螺，21實際初期，該項技術就已經成熟，適合進行批量生產和商品化；第二代諧振型光纖陀螺，暫時還處于實驗室研究向實用化推進的發展階段；第三代布里淵型，它還處于理論研究階段。光纖陀螺結構根據所采用的光學元件有三種實現方法：小型分立元件系統、全光纖系統和集成光學元件系統。21世紀初期，分立光學元件技術已經基本退出，全光纖系統用在開環低精度、低成本的光纖陀螺中，集成光學器件陀螺由于其工藝簡單、總體重復性好、成本低，所以在高精度光纖陀螺很受歡迎，是其主要實現方法。二、光纖光柵傳感器。 目前國內外傳感器領域的研究熱點之一光纖布拉格光柵傳感器。傳統光纖傳感器基本上可分為兩種類型：光強型和干涉型。光強型傳感器的缺點在于光源不穩定，而且光纖損耗和探測器容易老化；干涉型傳感器由于要求兩路干涉光的光強同等，所以 需要固定參考點而導致應用不方便。21世紀初期開發的以光纖布拉格光柵為主的光纖光柵傳感器可以避免出現上面兩種情況，其傳感信號為波長調制、復用能力強。在建筑健康檢測、沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等應用中，光纖光柵傳感器是最理想的靈敏元件。光纖光柵傳感器在地球動力學、航天器、電力工業和化學傳感中有廣泛的應用。三、光纖電流傳感器。電力工業的迅猛發展帶動電力傳輸系統容量不斷增加，運行電壓等級也越來越高，電流也越來越大，這樣測量起來就非常困難，這就顯現出光纖電流傳感器的優點了。在電力系統中，傳統的用來測量電流的傳感器是以電磁感應為基礎，這就存在以下缺點：它容易爆炸以至引起災難性事故；大故障電流會造成鐵芯磁飽和；鐵芯發生共振效應；頻率響應慢；測量精度低；信號易受干擾；體積重量大、價格昂貴等等，已經很難滿足新一代數字電力網的發展需要。這個時候光纖電流傳感器應運而生。四、光纖水聽器。 光纖水聽器主要用來測量水下聲信號，它通過高靈敏度的光纖相干檢測，將水聲信號轉換為光信號，并通過光纖傳至信號處理系統進行識別。與傳統水聽器相比，光纖水聽器具有靈敏度高、響應帶寬寬、不受電磁干擾等特點，廣泛用于軍事和石油勘探、環境檢測等領域，具有很大的發展潛力。光纖水聽器按原理可分為干涉型、強度型、光柵型等。干涉型光纖水聽器關鍵技術已經逐步發展成熟，在部分領域形成產品；光纖光柵水聽器則是當前研究的熱點，研究的關鍵技術涉及光源、光纖器件、探頭技術、抗偏振衰落技術、抗相位衰落技術、信號處理技術、多路復用技術以及工程技術等。光纖傳感器技術是建立在光纖、光通信和光電子技術的基礎上發展起來的，電磁干擾和腐蝕作用對它的影響很小，還能適應各種惡劣的氣象環境，不要額外的電源進行供電，就可以長距離的進行傳輸，已成為傳感器行業的研究熱點。傳感器一直朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍卻是備受青睞。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。光纖傳感器應用于對磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉矩、光聲、電流和應變等物理量的測量。其應用范圍十分廣泛。因此我們可以說光纖傳感器具有很大的市場需求，不說長久，至少在未來5年，光纖傳感器將會有廣闊的發展前景。光纖傳感技術及其相關技術的迅速發展，滿足了各類控制裝置及系統對信息的獲取與傳輸提出的更高要求，使得各領域的自動化程度越來越高，作為系統信息獲取與傳輸核心器件的光纖傳感器的研究非常重要。光纖傳感器技術發展的主要方向是：（1）多用途。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）新型傳感材料、傳感技術等的開發。（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）光纖連接器及與其它微技術結合的微光學技術。光纖傳感運用主要分為五大方向：（1）石油和天然氣——油藏監測井下的P/T傳感、地震陣列、能源工業、發電廠、鍋爐及蒸汽渦輪機、電力電纜、渦輪機運輸、煉油廠；（2）航空航天——噴氣發動機、火箭推進系統、機身；（3）民用基礎建設——橋梁、大壩、道路、隧道、滑坡；（4）交通運輸——鐵路監控、運動中的重量、運輸安全；（5）生物醫學——醫用溫度壓力、顱內壓測量、微創手術、一次性探頭。
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參考資料
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