光纖傳感器

傳感器在朝着靈敏、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、耐高温、耐腐蝕的化學性能等，它能夠在人達不到的地方（如高温區），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、因反射體中使用了稜鏡，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、用於電話、網絡寬帶等數字型號傳輸。

2、用於自動售貨機、金融終端有關的設備、點鈔機的紙幣、卡、硬幣、存摺等的通過情況

3、用於自動化設備上產品定位、計數、識別。 ^[2] 

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製器，使待測參數與進入調製區的光相互作用後，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，稱為被調製的信號光，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製的光信號。其工作原理基於光纖的光調製效應，即光纖在外界環境因素，如温度、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(温度、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，就可測量温度或壓等。

（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)與光纖傳輸迴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、耐高温、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] 

一、靈敏度較高；

二、幾何形狀具有多方面的適應性，可以製成任意形狀的光纖傳感器；

三、可以製造傳感各種不同物理信息（聲、磁、温度、旋轉等）的器件；

四、可以用於高壓、電氣噪聲、高温、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，便於與計算機聯接。

傳感器朝着靈敏、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（如高温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] 

根據光受被測對象的調製形式可以分為：強度調製型、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：分佈式和點分式；

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] 

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製， 使傳輸的光的強度、相位、頻率或偏振態等特性發生變化， 再通過對被調製過的信號進行解調， 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製，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] 

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，常採用單模光纖。

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製。

優點：光纖即可用於電氣隔離，有用於數據傳輸，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）就屬於非功能型的光纖傳感器，在複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、温度、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。在狹小的空間裏，在強電磁干擾和高電壓的環境裏，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併產生彎曲，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，可以用於飛機、艦船、導彈等的高性能慣性導航系統。。 ^[3] 

光纖布拉格光柵傳感器（FBS）是一種使用頻率最高，範圍最廣的光纖傳感器，這種傳感器能根據環境温度以及/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週期分佈的光波下面。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週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，光折射率被改變以後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。由於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於傳感器上，使光波導的屬性(光強、相位、偏振態、波長等)被調製。傳感器型光纖傳感器又分為光強調製型、相位調製型、振態調製型和波長調製型等。 ^[3] 

傳光型光纖傳感器是將經過被測對象所調製的光信號輸入光纖後，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製的敏感元件才能組成傳感元件。光纖傳感器根據其測量範圍還可分為點式光纖傳感器、積分式光纖傳感器、分佈式光纖傳感器三種。其中，分佈式光纖傳感器被用來檢測大型結構的應變分佈，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。用於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於建築鋼結構和混凝土等各種建築材料的內部應力、應變檢測。實現的建築結構的健康檢測。

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：傳感器位於光纖端部，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範圍廣，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後起之秀，它憑藉着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。

光纖傳感器憑藉着其大量的優點已經成為傳感器家族的後起之秀，並且在各種不同的測量中發揮着自己獨到的作用，成為傳感器家族中不可缺少的一員。 ^[3] 

絕緣於污穢、磁、聲、壓力、温度、加速度、陀螺、位移、液麪、轉矩、光聲、電流，光纖傳感器可用於位移、震動、轉動、壓力、彎曲、應變、速度、加速度、電流、磁場、電壓、濕度、温度、聲場、流量、濃度、PH值和應變等物理量的測量。光纖傳感器的應用範圍很廣，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：

城市建設中橋樑、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複合材料中，用於測試應力鬆弛、施工應力和動荷載應力，從而評估橋樑短期施工階段和長期營運狀態的結構性能。

在電力系統，需要測定温度、電流等參數，如對高壓變壓器和大型電機的定子、轉子內的温度檢測等，由於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。分佈式光纖温度傳感器是近幾年發展起來的一種用於實時測量空間温度場分佈的高新技術，分佈式光纖温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温度的分佈傳感能力，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温度，定位精度可達米的量級，測量精度可達1度的水平，非常適用大範圍交點測温的應用場合。

此外，光纖傳感器還可以應用於鐵路監控、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、分佈式、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] 

隨着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、橋樑健康狀況等，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於測量，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－應變關係曲線斜率，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] 

光纖傳感器在航天（飛機及航天器各部位壓力測量、温度測量、陀螺等）、航海（聲納等）、石油開採（液麪高度、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。 ^[5] 

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、温度、壓力和含水率等物理量的測量。較成熟的應用是採用非本徵光纖F—P腔傳感器測量井下的壓力和温度。非本徵光纖F-P腔傳感器利用光的多光束干涉原理，當被測的温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温度和壓力的測量。 ^[5] 

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，表徵光波的相位、頻率、振幅、偏振態等特徵參量，會因温度、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，稱為相位調製傳感型光纖傳感器，其他還有振幅調製傳感型、偏振態調製型、傳光型等各種光纖傳感器。 ^[5] 

採用傳感器測量儀代替光槓杆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後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採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於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採用兩束多模光纖，一端合併組成光纖探頭，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係，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。在支架台上固定紅外傳感器，而後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。測試表明採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後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於傳統測試。 ^[4] 

隨着中國工業自動化應用環境的不斷髮展，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着重要的指導意義。

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。“十二五”將以智能傳感器作為重點，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、製造和封裝技術。

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，他們在光纖温度傳感器、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

國家科委於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《中共中央關於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，然後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，同時其製作成本相當昂貴。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儘快投入到使用中去。

隨着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後，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後。國產企業形成了“外強中乾”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。 ^[4] 

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製器，使待測參數與進入調製區的光相互作用後，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，成為被調製的信號光，在經過光纖送入光探測器，經解調後，獲得被測參數。

由於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。據世界知名調研公司ElectroniCast發佈的全球光纖傳感器市場預測數據顯示，到2026年全球光纖傳感器（包括點式和分佈式）消費值將達到59.8億美元（摺合約391.57億人民幣）。 ^[7] 

傳統終端市場包括航空航天、國防、石油天然氣開採、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，增長的製造活動、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。 ^[4] 

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。一根光纖在這裏僅僅起到傳輸的作用，另外一種叫多點式傳感器，在這裏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於間隔的兩倍，那麼這個光波將會受到強烈的反射，而如果光纖受到温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於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麼問題呢?它解決了在什麼位置上發生了什麼事情，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。抗電磁干擾、耐環境。 ^[2] 

光纖傳感器已經成功應用於飛機結構監測。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，比如説碳纖維符合樹脂有幾種缺失，一個是層與層之間的剝離，由於這種材料比較強，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複合材料當中去，由於這種材料一層大概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。

我們説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於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。 ^[4] 

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製器，在調製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，成為被調製的光信號，再經過光纖送入光電器件、經解調器後獲得被測參數。整個過程中，光束經由光纖導入，通過調製器後再射出，其中光纖的作用首先是傳輸光束，其次是起到光調製器的作用。

目前，我國已成為全球光纖傳感器消費最大國，在國產化進程有一定的突破。以南京大學、深圳中科傳感為代表的大學及研究院等機構，基本掌握了全套的光纖傳感器方案。而在光纖傳感系統的核心部件上，廈門彼格的窄帶光源、世維通的鈮酸鋰波導等為代表相關的器件，都不甘落後爭相實現自主研發。

縱觀整個行業市場，目前中國光纖傳感器的自主研發仍是短板，總體市場化水平仍落後外國。據統計，中國傳感器新品研製率落後美日等國近10年，產業化水平落後10到15年。未來，中國光纖傳感市場產業化格局有待提升，物聯網技術的加持，將推動中國光纖傳感市場走向新一輪發展高峯。

但是在國內傳感器沒有進入“重點領域、重點行業、重大工程”，沒有進入國民經濟主戰場。傳感器作為信息技術三大支柱之一，並未受到像集成電路和計算機那樣重視，也未享受同樣的政策。即使在基礎元器件中，其重要性也排在機械元器件之後，原因是對傳感器的重要性認識偏頗。近十年來雖然對傳感器的發展提出了一系列政策，但是都是作為主項目的子項目立項，依附於物聯網、智能製造、儀表儀器等，從未作為國家項目單獨立項。國家對傳感器的投資力度還是不夠的。 ^[6]