光纤传感器的主要原理和应用概述

光纤传感器的主要原理和应用概述

蒋相斌

中航通用飞机有限责任公司

摘要：与其他类型的传感器相比，光纤传感器具有一些优势。这些优势基本上与光纤的特性有关，即体积小、重量轻、耐高温和高压、电磁无源等等。感应是通过探索光的特性来获得参数的测量，如温度、应变或角速度。本文提出了一个更广泛的概述，为读者提供了一个文献综述，描述了光学传感的主要原理，并强调了光学传感的多功能性、优势和不同的实际应用。

1、引言

光纤技术的发展标志着全球通信技术的一个重要举措。上世纪70年代，低衰减光纤的出现使高带宽长距通信成为可能[1]。自此以来，产量持续增长，到21世纪初，光纤已经迅速地安装在世界各地[2]。

光纤技术的发展也使完全在光纤中进行光学处理的设备得以发展，减少了插入损耗，提高了处理质量[3]。促成光纤技术全面迁移的一个因素是对光敏光纤的鉴定。这一发现是由Hill等人在1978年做出的[4]，并导致了光学纤维布拉格光栅（FBG）的发展。在关注和使用光通信的同时，布拉格光栅在光纤传感器中也获得了突出的地位，因为它在不同的传感应用中具有多功能性[5]。一些市场应用领域，如航空[6]、航天[7]、土木工程[8]和生物[9]或环境监测[10]，已经吸取了这种技术的优点使得行业快速发展。

光纤为许多类型的应用和环境提供高性能信息传输解决方案。光纤传感器可以利用引导光的一个或几个光学参数，如强度、相位、偏振和波长来改变传感器的设计性能和应用场景。与此同时，光纤可以提供双重功能：通过改变光纤传播的光的特性来测量几个参数；作为一个通信通道，减少了一个额外的专用通信通道，从而提供了一个与所有其他传感技术所不具备的独特优势。

光纤传感器是电磁学上的无源之物。这一特性非常重要，因为它允许在其他类型的传感器无法布局的地方使用。例如，在有爆炸危险的高电场和可变电场环境中。此外，作为光纤基本传导材料的二氧化硅化合物对大多数化学和生物制剂有抵抗力，因此可以在这种环境和材料中使用。另一个优点是，光纤传感器可以是小而轻的[11]。

光纤具有较低的光衰减，能够在监测站之间进行长距离（数公里）的传播。低衰减对于进行多路测量也很重要。通过使用单一的光源和检测单元，有可能在测量区域内没有有源光电元件的情况下操作大型分布式传感器阵列。反过来，可以保持电磁的钝性和环境的抗性[12]。

本文对光纤传感器进行了回顾。介绍了光纤传感器的分类、原理以及相关的应用。

2、光纤传感器的分类

光纤是一种圆柱形的介质波导，其芯层和包层都由玻璃或塑料制成，用于保护光纤的周围涂层由丙烯酸酯或聚酰亚胺材料制成。光纤支持多模和单模。光纤传感器会根据应变或温度变化而膨胀或收缩。当光通过光纤发送到传感器时，它会根据伸缩量进行调制。随后，传感器将光信号反射回分析设备，分析设备将反射光转换为传感器长度变化的测量值。这些测量值即表示应变水平或温度[13]。

就工作原理而言，光纤传感器可分为强度调制型、波长调制型、相位调制型、散射型和偏振型 [14]：

强度调制传感器是最早被开发的光纤传感器之一。这些传感器可以检测接收到的光的物理变化或扰动（弯曲损失、衰减、蒸发场）。简单和低成本呈现了这种光学传感器类型的优势；然而，这些传感器容易受到光功率损失波动的影响，导致错误的读数，因此需要一个参考系统来减少这个问题。

波长调制传感器测量的是光纤中的波长变化。波长调制传感器的例子包括黑体传感器、荧光传感器和布拉格光栅（FBG）的波长调制传感器。FBG传感器代表了最流行的波长调制传感器类型，并经常被用于不同的应用中，因为它能够进行单点或多点感应。

相位调制传感器使用干涉测量原理来测量光纤光的干扰。这些传感器由于其高灵敏度和准确性而受到欢迎；然而，这也转化为较高的成本。最流行的相位调制传感器包括马赫-泽恩德、萨格纳克、迈克尔逊和法布里-珀罗干涉仪。

基于散射的传感器使用光时域反射仪（OTDR）来检测散射光的变化。这些传感器非常受欢迎，因为它们能够沿着光纤长度进行分布式传感，在结构健康监测和测量应变变化方面具有广泛的应用。

基于偏振的传感器检测由偏振状态的改变引起的光的变化。这些传感器利用了光纤中的双折射现象，根据偏振的不同，折射率会发生变化。当对光纤施加应变时，双折射效应发生，并导致可检测的相位差。

3 光纤布拉格光栅传感器（FBGs）

布拉格光纤光栅传感器（FBGs）[4]是简单的、通用的、小型的本征传感元件，具有一般归属于光纤传感器的所有优点。由于要测量的信息被编码在结构的波长中，而这是一个绝对参数，因此FBG传感器可以很容易地在多点传感网络中复用。

FBG传感器的工作原理是将光纤芯的一部分暴露在周期性的紫外光下，从而导致光纤芯的折射率发生永久性改变。这个过程为光纤的紫外光处理部分提供了光谱控制的反射特性[4]。反射的波长对延伸和温度变化表现出高度的敏感性。这些传感器能够消除振幅或强度变化的问题，因为它们被集成到光纤的导光芯中，并且是波长编码的。

4 干涉测量传感器

干涉式光纤传感器，也被称为干涉仪传感器，是测量光纤光干扰的相位调制传感器。最流行的干涉仪类型包括：马赫-泽恩德、萨格纳克、迈克尔逊、法布里-珀罗和环形共振器。

马赫-泽恩德干涉仪[15]的工作原理是将一束光分成两部分，使信号通过参考臂和感应臂传播。两部分，使信号通过一个参考臂和一个感应臂传播。它然后测量两束光之间的相移，这两束光在检测器处重新结合起来。相移的产生是由于机械或热应变后传感臂长度的变化产生的。这种类型的干涉仪主要用于测试电信行业的网络。作为水听器用于水下传感[16]，用于传感温度和折射率[17]，在医疗保健行业的光声成像应用[18]。以及作为心率和呼吸率传感器[19]。

迈克尔逊干涉仪[20]与马赫-泽恩德干涉仪相似，但它没有第二个分光器，而是使用镜子将参考臂和感应臂中的光线反射回源头。它的一些应用是作为折射率传感器[21]和水听器传感器[22]。

法布里-珀罗干涉仪[23]是一种外在的传感器，它使用两个平行的反射面，相隔一定的距离，测量发射和接收信号之间的干扰。它被广泛用于监测石油和天然气工业中的结构部件和井下压力[24]，也可用于感应温度、声波、超声波、气体和液位等[25]。

环形谐振器[26]检测到环形谐振器平面的惯性旋转，可用于光学开关和光子生物传感器，以及其他应用。

5 分布式传感器

光时域反射仪（OTDR）是一些发展最完善的在线传感器，它基于在光纤中传播的散射光，其中包含瑞利、布里渊和拉曼散射。除了原始波长（称为瑞利成分），散射光还包含比原始信号更高和更低波长的成分（称为拉曼和布里渊成分）。这些移位的分量包含了关于光纤的局部属性的信息，如应变和温度。

OTDR的功能[27]详细说明了一个过程，即注入系统的光在短时间内被脉冲化，以实现空间分辨率。由于背向散射光相对于发射光束有一定的延迟被检测到，因此散射产生的区域被确定。所以，这个区域的损失可以被测量，因为该区域的散射光强度是不同的。使用散射光的频率或到达时间可以确定测量的振幅和位置。

瑞利散射是由光与光纤芯中的折射率波动相互作用而产生的，它出现在比光的波长短得多的空间尺度上。瑞利散射的光频与入射光相同，而且非常弱，特别是在单模光纤中[28]，因此在传感应用中不经常使用。

布里渊散射出现在光与介质中的声学模式的相互作用中，这些模式是由光的传播引起的[28]。确定相对于入射光的布里渊频移提供了温度或应变的测量，并允许在长距离纤维中进行分布式传感。这种频移是任何二氧化硅纤维的固有属性，因此可以生产低成本的传感元件。测量随着时间的推移是稳定的，因为光学效应只取决于纤维材料。因此，布里渊散射已被用于大型结构的分布式传感，主要传感油井、管道、桥梁或电力线的应变[29]。布里渊-OTDR技术可用于连续测量沿光纤分布的任何一点的应变和温度，因此它可用于对大型结构的全面监测，如隧道、大坝、管道、地铁和大型桥梁，其长度为数百公里，在这些地方无法使用点测量监测技术。此外，布里渊-OTDR中的光纤既是传感器又是传输介质，可以实现长距离和实时的远程监测[13]。

6、总结

本文介绍了有关光学传感的原理、应用和特点的文献综述和讨论，这使得这项技术独树一帜。本文首先介绍了不同类型的光纤传感器、其特点和工作原理。介绍了多点和分布式传感的特点。最近的论文表明，这是一个活跃的研究领域，在各个行业（航空航天、医疗卫生、石油工业、土木工程等）的研究和应用方面具有巨大潜力。

7、参考文献

1.Kapron, F., D.B. Keck, and R.D. Maurer, Radiation losses in glass optical waveguides. Applied Physics Letters, 1970. 17(10): p. 423-425.

2.Cordier, P., et al., TEM characterization of structural changes in glass associated to Bragg grating inscription in a germanosilicate optical fibre preform. Optics communications, 1994. 111(3-4): p. 269-275.

3.Ishikawa, H., Ultrafast all-optical signal processing devices. 2008: John Wiley & Sons.

4.Hill, K.O., et al., Photosensitivity in optical fiber waveguides: Application to reflection filter fabrication. Applied physics letters, 1978. 32(10): p. 647-649.

5.Lin, W., et al. Review on development and applications of fiber-optic sensors. in 2012 Symposium on Photonics and Optoelectronics. 2012. IEEE.

6.Minakuchi, S. and N. Takeda, Recent advancement in optical fiber sensing for aerospace composite structures. Photonic Sensors, 2013. 3: p. 345-354.

7.Hegde, G., S. Asokan, and G. Hegde, Fiber Bragg grating sensors for aerospace applications: A review. ISSS Journal of Micro and Smart Systems, 2022. 11(1): p. 257-275.

8.Wu, T., et al., Recent progress of fiber-optic sensors for the structural health monitoring of civil infrastructure. Sensors, 2020. 20(16): p. 4517.

9.Wang, D.Y., et al., Fully distributed fiber-optic biological sensing. IEEE Photonics Technology Letters, 2010. 22(21): p. 1553-1555.

10.Goh, L.S., et al. Constructing an optical fiber sensor network for natural environment remote monitoring. in The 17th Asia Pacific Conference on Communications. 2011. IEEE.

11.Santos, J., et al. Optical fibre sensing networks. in 2009 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference (IMOC). 2009. IEEE.

12.Culshaw, B., Optical fiber sensor technologies: opportunities and-perhaps-pitfalls. Journal of lightwave technology, 2004. 22(1): p. 39.

13.Rajeev, P., et al. Distributed optical fibre sensors and their applications in pipeline monitoring. in Key Engineering Materials. 2013. Trans Tech Publ.

14.N’cho, J.S. and I. Fofana, Review of fiber optic diagnostic techniques for power transformers. Energies, 2020. 13(7): p. 1789.

15.Zehnder, L., Ein neuer interferenzrefraktor. 1891, Springer.

16.Dass, S. and R. Jha, Underwater low acoustic frequency detection based on in-line Mach–Zehnder interferometer. JOSA B, 2021. 38(2): p. 570-575.

17.Bhardwaj, V., K. Kishor, and A.C. Sharma, Tapered optical fiber geometries and sensing applications based on Mach-Zehnder Interferometer: A review. Optical Fiber Technology, 2020. 58: p. 102302.

18.Lamela, H., et al., Interferometric fiber optic sensors for biomedical applications of optoacoustic imaging.

Journal of biophotonics, 2011. 4(3): p. 184-192.

19.Nedoma, J., et al., Magnetic resonance imaging compatible non-invasive fibre-optic sensors based on the Bragg gratings and interferometers in the application of monitoring heart and respiration rate of the human body: A comparative study. Sensors, 2018. 18(11): p. 3713.

20.Michelson, A.A., The relative motion of the Earth and of the luminiferous ether. American Journal of Science, 1881. 3(128): p. 120-129.

21.Li, Z., et al., Temperature-insensitive refractive index sensor based on in-fiber Michelson interferometer. Sensors and Actuators B: Chemical, 2014. 199: p. 31-35.

22.Teixeira, J.G., et al., Advanced fiber-optic acoustic sensors. Photonic sensors, 2014. 4: p. 198-208.

23.Perot, A. and C. Fabry, On the application of interference phenomena to the solution of various problems of spectroscopy and metrology. Astrophysical Journal, vol. 9, p. 87, 1899. 9: p. 87.

24.Zhou, X., Q. Yu, and W. Peng, Fiber-optic Fabry–Perot pressure sensor for down-hole application. Optics and Lasers in Engineering, 2019. 121: p. 289-299.

25.Islam, M., et al., Chronology of Fabry-Perot interferometer fiber-optic sensors and their applications: a review. Sensors, 2014. 14(4): p. 7451-7488.

26.Chremmos, I., O. Schwelb, and N. Uzunoglu, Photonic microresonator research and applications. Vol. 156. 2010: Springer.

27.Adachi, S. Distributed optical fiber sensors and their applications. in 2008 SICE Annual Conference. 2008. IEEE.

28.Horiguchi, T. and M. Tateda, BOTDA-nondestructive measurement of single-mode optical fiber attenuation characteristics using Brillouin interaction: theory. Journal of lightwave technology, 1989. 7(8): p. 1170-1176.

29.Wang, B., et al., High-sensitivity distributed dynamic strain sensing by combining Rayleigh and Brillouin scattering. Opto-Electronic Advances, 2020. 3(12): p. 200013-1-200013-8.