光纤传感器
什么是光纤传感器？
光纤传感器用于检测物理、化学或生物参数的变化。 它们独特的组合优势使其在结构监测、石油和天然气勘探、环境监测和医学诊断等领域得到广泛应用。
光纤传感器是一种测量通过光纤传输的光变化来获取物理、化学或生物参数变化的设备。 与其他传感技术相比，光纤传感器具有多项优势，包括：
远距离操作 |
光纤传感器可以远距离传输信号，不会出现明显的信号衰减或丢失。 这使它们能够远程使用或用于监测大型结构。 |
结构紧凑，重量轻 |
光纤传感器体积小、重量轻，易于安装和集成到各种系统中。 |
低功耗 |
光纤传感器只需极少的电力即可运行，因此成为电力有限的远程和便携式应用的理想选择。 |
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多个光纤传感器可以在单根光纤上复用，允许同时测量多个不同的参数。 |
高速 |
光纤传感器可以提供高带宽和快速响应时间，使其适用于动态测量和实时控制应用。 |
这种理想的操作组合，加上光纤传感器可以测量的广泛物理特性，使其适用于许多不同行业和应用中的各种任务。 其中一些重要的任务包括：
- 民用和航空航天结构的结构健康监测，例如桥梁、水坝、建筑物、管道和飞机。 传感器能够检测损坏、变形或振动。
- 环境传感，例如监测温度、湿度、压力以及空气或水中各种化学物质的浓度。
- 医学诊断，包括体内血糖、血氧或 pH 值的测量。
- 工业流程的监测和控制。 这可以包括测量管道或反应器中流体或气体的水平、流量或成分。
- 防御和安全。 光纤传感器可用于检测入侵、物体或结构的位移，以及地震活动。
目前使用的光纤传感器类型，它们的工作原理和确切的实施方法就像刚才列举的应用一样多样化。 但它们本质上都依赖于相同的基本原则。 即光被引入光纤并通过光纤传播。 然后，光纤周围介质的物理、化学或生物特性会导致光发生一些变化，从而被检测到。 这种变化可以是光的强度、相位、波长或偏振状态（或这些特征的组合），也可以是光纤本身的散射特性。 每种传感器机制都值得详细研究。
基于波长的传感器
基于波长的传感器 – 尤其是那些利用光纤布拉格光栅 (FBG) 的传感器 – 是应用非常广泛的类型之一。 FBG 是在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅。 FBG 在制造时就被“写入”到光纤中。 这种周期性模式产生了布拉格光栅，可反射特定的小范围波长。
FBG 的一个应用是“分布式”传感器。 在此情形下，一系列 FBG（反射的每个波长略有不同）沿着单根光纤被写入不同的位置。 当光沿着光纤传播时，每个 FBG 都会将一些光反射回光源。 任何局部的温度变化或结构中的机械应变都会改变附近 FBG 的周期，从而改变其反射的波长。 因此，测量这种波长偏移可提供有关沿光纤的应变和温度的空间分辨信息。 像这样的光纤传感器可以嵌入到大型结构中，例如大坝或桥梁。
图 1. 在分布式光纤传感器中，沿光纤分布的一系列 FBG 各自都反射回一个狭窄的波长范围。 局部温度变化或机械应变会改变附近 FBG 的峰值波长。 分析返回光的波长可以发现哪个传感器受到了干扰，以及受到干扰的程度。
基于波长的光纤传感器也构成了许多不同类型的生物传感器的基础。 其中许多都基于表面等离子体共振 (SPR)。 这涉及将薄金属膜（通常是金）直接放在光纤上，或者有时放在位于光纤输出端的外部光学器件上。
只有非常特定的波长才会激发金属到电介质界面的等离子体激元振荡。 该共振波长的反射率将比其他波长的反射率低。 该共振波长对金属层的折射率非常敏感。
为了制造生物传感器，金属膜被“功能化”。也就是说，涂有优先结合或吸收特定目标分析物的生物分子（甚至细菌）。 当分析物分子与传感器表面结合时，它们会改变其折射率。 这改变了共振波长。 因此，分析透射光的波长提供了对目标分子浓度的高度灵敏测量。
光纤生物传感器具有测量速度快和灵敏度高等优点。 它们不需要对分析物进行“标记”。 因此，它们被用于许多医学诊断过程、整个生物医学研究和药物开发，甚至用于农业和食品加工中。
基于相位的传感器
基于相位的传感器是常见的光纤干涉仪。 它测量由于周围介质的某些变化而在光纤或外部光腔中引起的相移。 可以提供许多不同的干涉仪配置。 比较流行的有 Mach–Zehnder、Michelson 和 Fabry–Perot 干涉仪。
与传统的自由空间干涉仪一样，Mach–Zehnder 干涉仪和 Michelson 干涉仪都将光束分成两条路径，即一条参考臂和一条感应臂。 只有感应臂暴露在信号中。 感应臂内物理长度或折射率的变化导致了路径之间的相对相移，从而在检测器上产生了干涉条纹图案。 这就提供了传感信号。
Fabry–Perot 干涉仪使用光纤将光传输到位于测量点的标准量具（两个平行的高反射表面，相隔一定距离）。 由振动、压力、温度或折射率（由于进入腔体的气体或液体）引起的 Fabry-Perot 腔内光路长度的变化会改变干涉条纹图案。 该信号通过光纤传回原点，并在那里被检测到。 这种方法通常用于测量天然气或石油管道中的井下压力或监测复合材料的应变或温度。
是另一种基于相位的光纤传感器。 在这种情况下，光纤处于紧密缠绕的线圈中。 光源首先被分成两束，然后耦合到光纤的两端。
如果线圈在其轴上旋转，两个光束将发生相对相移。 这称为 Sagnac 效应。 当两束光离开光纤时，它们会重组到一起。 任何相移都会在组合光束中产生干涉条纹。 检测器感测到该图案，从而确定旋转的角速度。
基于偏振的传感器
大多数基于偏振的传感器通过引入相对于维持光纤轴 45° 的偏振光来工作。 然后，被测设备中影响光纤双折射的任何因素（通常是温度变化或机械应变）都可以在光纤的输出端使用偏振分析仪检测到。 许多结构监测光纤传感器都是基于偏振的。
基于偏振的传感器也可用于感应电流。 这些依赖于法拉第效应，在存在磁场的情况下，该效应会在光的偏振平面上产生旋转。 因此，这可用于测量由电流产生的磁场。 与传统传感器类型相比，光纤电流传感器具有包括响应速度快、精度高以及体积小和重量轻等多种优势。
基于强度的传感器
基于强度的光纤传感器实际上是第一种被开发出来的类型。 它们依赖于透射或反射光强度的变化来进行测量。
一种简单的基于强度的传感器是通过将一根弯曲的光纤嵌入到结构或机械部件中而形成的。 弯曲半径的变化会影响通过光纤的光损耗。 因此，任何导致物体尺寸变化的因素（压力、加速度、移动、热膨胀）都会使光纤变形并产生信号。
产生强度变化的另一种方法是抑制或减少光纤传输光所依赖的全内反射。 通常，当周围介质的折射率变化与纤芯周围的瞬逝场相互作用时，就会发生这种情况。 这涉及到去除一段光纤上的包层，从而使瞬逝场渗透到光纤周围的介质中。 这种介质折射率的任何变化都会改变光纤的传输特性。 这可用于感应液体液位或用作气体传感器。
虽然基于强度的传感器通常更简单，因此比其他类型的成本更低，但它们如今并未得到广泛使用。 问题在于，任何引起光功率变化的东西都会产生读数。 虽然参考系统可以尽量减少这种情况，但很难完全消除来自这些传感器的噪声和虚假读数。
基于散射的传感器
许多不同的传感技术都基于光纤内的布里渊散射和拉曼散射。 它们与光时域反射仪 (OTDR) 结合使用。
布里渊散射是由于光与介质中声学模式的相互作用而发生的。 布里渊散射的峰值波长在很大程度上取决于材料的折射率。 这使得它对周围介质的温度或压力变化很敏感。
为了实现基于布里渊的传感器，会沿着光纤发送光脉冲。 对返回光的光谱进行持续分析。 由于布里渊散射引起的光谱中任何位移的时间延迟都表明了沿光纤发生散射的距离，因此也表明了引起散射条件的位置。
当光与光纤中的分子振动相互作用时，就会发生拉曼散射。 拉曼信号仅与温度有关。 拉曼传感的实现方式类似于布里渊传感。 也就是说，通过光纤发送光脉冲，然后分析返回光的光谱随时间的变化。
基于散射的传感器的巨大优势在于它们利用了石英光纤的固有特性。 这意味着它们可以使用低成本的商用光纤来制造。 此外，这两种散射技术都可以在非常远的距离（数十公里）内发挥作用。 这使得它们特别适用于监测大型结构或长结构。
总体而言，光纤传感器的多样化功能和操作优势使其适合广泛的应用。 技术的不断进步一定会增加它们在结构健康监测、石油和天然气勘探、生物医学传感、环境监测、工业流程监测等领域的使用。