光纤传感系统技术背景

光纤传感系统技术背景

1.1 光纤传感技术及广泛应用

光纤传感，是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度（功率）、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化，然后光纤将受到外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测，这样将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理，即为调制和解调的过程。因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术，即外界信号（被测量）如何调制光纤中的光波参量的调制技术（或加载技术）及如何从被调制的光波中提取外界信号（被测量）的解调技术（或检测技术）。

光纤传感技术发展非常迅速，我国在20世纪80年代末开始研究，虽然现在做出了一些成绩，但是与发达国家相比还有差距，特别是能够进行商用的光纤传感器还比较少，今后发展和应用的空间还很大。

光纤传感的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。

1.2 光纤传感器及其优势

光纤最早在光学行业中用于传光和传像，在20世纪70年代初生产出低损耗光纤后，光纤在通信技术中用于长距离传递信息。光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且当光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素(如温度、压力、磁场、电场、位移等)的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种待测量(物理量、化学量和生物量等)，这就是光纤传感器的基本原理。

光纤传感器可以分为传感型和传光型两大类。利用外界因素改变光纤中光波的特征参量，从而对外界因素进行计量和数据传输的传感器，称为传感型光纤传感器，它具有传感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤中进行。传光型光纤传感器是指利用其他敏感元件测得的特征量，由光纤进行数据传输，它的特点是充分利用现有的传感器，因而便于推广应用。这两类光纤传感器都可再分成光强调制、相位调制、偏振态调制和波长调制等几种形式。
    与传统的传感器相比，光纤传感器具有独特的优点: 
    (1) 抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，并且安全可靠，这使它可以方便有效地用于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中。
    (2) 灵敏度高。光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器，其中有的已由理论证明，有的已经实验验证，如测量水声、加速度、辐射、磁场等物理量的光纤传感器，测量各种气体浓度的光纤化学传感器和测量各种生物量的光纤生物传感器等。
    (3) 重量轻、体积小、可挠曲。光纤除具有重量轻、体积小的特点外，还有可挠曲的优点，因此可以利用光纤制成不同外型、不同尺寸的各种传感器。这有利于航空航天以及狭窄空间的应用。
    (4) 测量对象广泛。目前已有性能不同的测量各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。
    (5) 对被测介质影响小，有利于在生物、医药卫生等具有复杂环境的领域中应用。
    (6) 便于复用，便于成网，有利于与现有光通信设备组成遥测网和光纤传感网络。
    (7) 成本低。有些种类的光纤传感器的成本大大低于现有同类传感器。
    光纤传感器和电类传感器的传感原理及特性比较分别如附图、附表所示。由此可知，光纤传感器是一类与电类传感器并行、互补的新型传感器。