光纖感測技術(科學技術)

光纖感測技術始於1977年，伴隨光纖通信技術的發展而迅速發展起來的，光纖感測技術是衡量一個國家信息化程度的重要標誌。光纖感測技術已廣泛用於軍事、國防、航天航空、工礦企業、能源 環保、工業控制、醫藥衛生、計量測試、建築、家用電器等領域有著廣闊的市場。世界上已有光纖感測技術上百種，諸如溫度、壓力、流量、 位移、振動、轉動、彎曲、液位、速度、加速度、聲場、電流、電壓、磁場及輻射等物理量都實現了不同性能的感測。

基本介紹

• 中文名：光纖感測技術
• 外文名：Optical Fiber Sensing Technology
• 技術簡介：工作頻頻寬，動態範圍大
• 套用分類：光強度調製 光波長調製 光相位調製 偏振態調製
• 存在問題：環境振動等干擾也同樣敏感

技術介紹

光纖工作頻頻寬，動態範圍大，適合於遙測遙控，是一種優良的低損耗傳輸線；在一定條件下，光纖特別容易接受被測量或場的載入，是一種優良的敏感元件；光纖本身不帶電，體積小，質量輕，易彎曲，抗電磁干擾，抗輻射性能好，特別適合於易燃、易爆、空間受嚴格限制及強電磁干擾等惡劣環境下使用。因此，光纖感測技術一問世就受到極大重視，幾乎在各個領域得到研究與套用，成為感測技術的先導，推動著感測技術蓬勃發展。

光纖感測，包含對外界信號（被測量）的感知和傳輸兩種功能。所謂感知（或敏感），是指外界信號按照其變化規律使光纖中傳輸的光波的物理特徵參量，如強度（功率）、波長、頻率、相位和偏振態等發生變化，測量光參量的變化即“感知”外界信號的變化。這種“感知”實質上是外界信號對光纖中傳播的光波實時調製。所謂傳輸，是指光纖將受到外界信號調製的光波傳輸到光探測器進行檢測，將外界信號從光波中提取出來並按需要進行數據處理，也就是解調。因此，光纖感測技術包括調製與解調兩方面的技術，即外界信號（被測量）如何調製光纖中的光波參量的調製技術（或載入技術）及如何從被調製的光波中提取外界信號（被測量）的解調技術（或檢測技術）。

外界信號對感測光纖中光波參量進行調製的部位稱為調製區。根據調製區與光纖的關係，可將調製分為兩大類。一類為功能型調製，調製區位於光纖內，外界信號通過直接改變光纖的某些傳輸特徵參量對光波實施調製。這類光纖感測器稱為功能型（FunctionalFiber，簡稱FF型）或本徵型光纖感測器，也成為內調製型感測器，光纖同具“傳”和“感”兩種功能。於光源耦合的發射光纖同於光探測器耦合的接收光纖為一根連續光纖，稱為感測光纖，故功能型光纖感測器亦稱全光纖型或感測型光纖感測器。另一類為非功能型調製，調製區在光纖之外，外界信號通過外加調製裝置對進入光纖中的光波實施調製，這類光纖感測器稱為非功能型（NonFunctionalFiber，簡稱NFF）或非本徵型光纖感測器，發射光纖與接收光纖僅起傳輸光波的作用，稱為傳光光纖，不具有連續性，故非功能型光纖感測器也稱傳光型光纖感測器或外調製光纖感測器。

根據被外界信號調製的光波的物理特徵參量的變化情況，可將光波的調製分為光強度調製、光頻率調製、光波長調製、光相位調製和偏振調製等五種類型。

由於現有的任何一種光探測器都只能回響光的強度，而不能直接回響光的頻率、波長、相位、和偏振調製信號都要通過某種轉換技術轉換成強度信號，才能為光探測器接收，實現檢測。

技術套用分類

光強度調製型

光強調製是光纖感測技術中相對比較簡單，用得最廣泛的一種調製方法。其基本原理是利用外界信號（被測量）的擾動改變光纖中光（寬譜光或特定波長的光）的強度（即調製），再通過測量輸出光強的變化（解調）實現對外界信號的測量。

相位調製型

光相位調製，是指外界信號（被測量）按照一定的規律使光纖中傳播的光波相位發生回響的變化，光相位的變化量即反映被測外界量。

光纖感測技術中使用的光相位調製大體有三種類型。一類為功能型調製，外界信號通過光纖的力應變效應、熱應變效應、彈光效應及熱光效應使感測光纖的幾何尺寸和折射率等參數發生變化，從而導致光纖中的光相位變化，以實現對光相位的調製。第二類為薩格奈克效應調製，外界信號（旋轉）不改變光纖本身的參數，而是通過旋轉慣性場中的環形光纖，使其中相向傳播的兩光束產生相應的光程差，以實現對光相位的調製。第三類為非功能型調製，即在感測光纖之外通過改變進入光纖的光波程差實現對光纖中光相位的調製。

偏振調製型

偏振調製，是指外界信號（被測量）通過一定的方式使光纖中光波的偏振面發生規律性偏轉（旋光）或產生雙折射，從而導致光的偏振特性變化，通過檢測光偏振態的變化即可測出外界被測量。

波長調製型

外界信號（被測量）通過選頻、濾波等方式改變光纖中傳輸光的波長，測量波長變化即可檢測到被測量，這類調製方式稱為光波長調製。

目前用於光波長調製的方法主要是光學選頻和濾波。傳統的光波長調製方法主要有F-P干涉式濾光、里奧特偏振雙折射濾光及各種位移式光譜選擇等外調製技術。近20多年來，尤其近幾年迅速發展起來的光纖光柵濾光技術為功能型光波長調製技術開闢了新的前景。

頻率調製型

光頻率調製，是指外界信號（被測量）對光纖中傳輸的光波頻率進行調製，頻率偏移即反映被測量。目前使用較多的調製方法為都卜勒法，即外界信號通過都卜勒效應對接收光纖中的光波頻率實施調製，是一種非功能型調製。

存在問題

光纖干涉型感測器由於靈敏度高、體積小等優點，受到很大關注。但是干涉型感測器對被測物理量的變化敏感的同時也對溫度漂移、環境振動等干擾也同樣敏感。目前用於光相位解調的干涉方法很多，主要有雙光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法、環形干涉法等。

感測器的分類

按光纖在光纖感測器中的作用可分為感測型和傳光型兩種類型。

感測型光纖感測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感測器上，使光波導的屬性(光強、相位、偏振態、波長等)被調製。感測器型光纖感測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。

傳光型光纖感測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，這類感測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感測元件。光纖感測器根據其測量範圍還可分為點式光纖感測器、積分式光纖感測器、分散式光纖感測器三種。其中，分散式光纖感測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。目前用於土木工程中的光纖感測器類型主要有Math-Zender干涉型光纖感測器，Fabry-pero腔式光纖感測器，光纖布喇格光柵感測器等。

感測器的特點

⑴高靈敏度，抗電磁干擾。由於光纖感測器檢測系統很難受到外界場的干擾，且光信號在傳輸中不會與電磁波發生作用，也不受任何電噪聲的影響，由於這一特徵，光纖感測器在電力系統的檢測中得到了廣泛套用。

⑵光纖具有很好的柔性和韌性，所以感測器可以根據現場檢測需要做成不同的形狀。

⑶測量的頻頻寬、動態回響範圍大。

⑷可移植性強，可以製成不同的物理量的感測器，包括聲場、磁場、壓力、溫度、加速度、位移、液位、流量、電流、輻射等。

⑸可嵌入性強，便於與計算機和光纖系統相連，易於實現系統的遙測和控制。

套用

光纖感測技術在結構工程檢測中的套用
鋼筋混凝土是目前非常廣泛套用的材料，將光纖材料直接埋入混凝土結構內或貼上在表面，是光纖的主要套用形式，可以檢測熱應力和固化、撓度、彎曲以及應力和應變等。混凝土在凝固時由於水化作用會在內部產生一個溫度梯度，如果其冷卻過程不均勻。熱應力會使結構產生裂縫，採用光纖感測器埋入混凝土可以監測其內部溫度變化，從而控制冷卻速度。
混凝土構件的長期撓度和彎曲是人們感興趣的一個力學問題，為此已研製出能測量結構彎曲和撓度的微彎應變光纖感測器，並用一根光纖連線整個結構不同位置上的感測器進行同時監測，每個感測器的位置可用OTDR來識別。光纖感測器還能探測混凝土結構內部損傷。在正常荷載作用下，由於鋼筋阻止乾化收縮或溫度引起的體積變化都會引起裂縫，裂縫的出現和發展可以通過埋入的光纖中光傳播的強度變化而測得。
光纖感測技術在橋樑檢測中的套用
橋樑是一個國家的經濟命脈，橋樑的建造和維護是一個國家基礎設施建設的重要部分。利用光纖感測器測量振動，主要可得到橋樑的振動回響參數如頻率、振幅等，其方法是：將信號光纖貼上於橋樑內部，它隨著橋樑的振動而產生振動回響， 輸出光的相位作周期性的變化，則光電探測器接收到的光強也作周期性的變化。
成功的案例有：加拿大在1993年將光纖感測器預裝到一座碳纖維預應力混凝土公路橋上，在橋開通後連續監測了8個月，測量了混凝土內部的整體分布應變，並用動態規化理論處理數據，準確而又快速的評估了橋樑的使用狀態及壽命。1996年，美國海軍實驗研究中心研製了新墨西哥州I -10橋健康檢測系統，它由60個FBG感測器組成，可實現動態與靜態應變測量。
光纖感測技術在岩土力學與工程中的套用
岩土工程檢測具有長時效性、環境複雜、具有時空限制、施工環境制約等特點，其檢測工作一直是等待解決的難題。目前已有的常規的測試技術在長期的工程套用中表明，滿足上述測試要求十分困難。而由於光纖感測器體積小、質量輕、不導電、反應快、抗腐蝕等諸多優良特性，使用它成為岩土力學工程的檢測工具成為學者們的研究對象。下面列舉一例成功套用光纖感測器檢測岩土工程的成功案例：
三峽大壩壩前水溫監測
三峽大壩壩體內部靠近上游面埋設有點式溫度計，因埋設點位於壩體內，所測溫度與實際庫水溫度存在一定的差異。為了能更真實地反映庫水溫度的變化規律，長江科學院結合壩前水溫觀測的實際現狀，在左廠14-2壩段布設1條測溫垂線，採取光纖Bargg光柵溫度感測器進行監測，通過實際工程套用，光纖Bargg光柵溫度感測器測量水溫，可以滿足水溫監測的要求，且與水銀溫度計直接測量水溫相比，結果較好。
光纖感測技術在軍事上的套用
光纖感測技術在軍事上同樣套用廣泛。光纖陀螺儀經過30多年的發展，已經廣泛套用與民航機，無人機，飛彈的定位和控制中。光纖水聽器可以用於船舶軍艦收集聲音，探測越來越先進的潛艇。且近幾年來，基於光纖感測技術的光纖網路安全警戒系統開始在邊防及重點區域防衛中得到推廣套用。目前，世界上已開發國家使用的安全防衛系統就是基於分散式光纖感測網路系統的安全防衛技術。

石油和天然氣：油藏監測井下的P / T感測、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；

航空航天：噴氣發動機、火箭推進系統、機身；

民用基礎建設：橋樑、大壩、道路、隧道、滑坡；

交通運輸：鐵路監控、運動中的重量、運輸安全；

生物醫學：醫用溫度壓力、顱內壓測量、微創手術、一次性探頭。

研究進展

光纖光柵感測器

光纖光柵感測器是目前國內研究的熱點之一。FBG感測器具有靈敏度高，易構成分散式結構，在一根光纖內可實現多點測量。滿足“智慧型結構”對感測器的要求，可對大型構件進行實時安全監測；也可以代替其他類型結構的光纖感測器，用於化學、壓力和加速度感測中。但是溫度、應力交叉敏感是其實用化的最大限制。

目前，隨著實用、廉價的波長解調技術進一步發展完善，光纖光柵感測技術已經向成熟階段接近，部分也已經商用化。但在性能和功能方面需要提高。

陣列復用感測系統

列陣復用感測系統將單點光纖感測器陣列化，實現空間多點的同時或分時感測，也稱為準分散式系統。目前，套用最為廣泛的是光纖光柵陣列感測和基於干涉結構的陣列光纖感測系統。
陣列化光纖感測的優點是可以實現大範圍、長距離多點感測，是大規模光纖感測的一個重要發展趨勢。陣列化的發展方向也對各個感測元的靈敏度、穩定性、批量製作可重複性、解調的快捷準確等提出新的要求。

分散式光纖感測系統

分散式光纖感測系統是根據沿線光波分布參量，同時獲取在感測光纖區域內隨時間和空間變化的被測量的分布信息，可以實現長距離、大範圍的連續、長期感測。

智慧型化光纖感測系統

目前光纖感測的智慧型化主要體現在光纖感測與通信技術及計算機技術的融合，實現各種功能的智慧型化，實現信號獲取、存儲、傳輸、處理於一體。智慧型化光纖感測系統在許多新型套用領域受到廣泛關注，如智慧型材料、環境感知、聲發射檢測、石油測井等。基於光纖感測的智慧型材料可以實現對周圍環境變化的自判斷性、自適應性、自診斷性、自修復性等諸多性能，在汽車工業、航空航天、醫療、安防、體育及土木工程等領域有著廣泛的套用。