光纤传感技术的原理是什么？

当前，敏感的光纤技术正日益成为微型传感器技术的另一新的发展方向。预计，随着插入技术的日趋成熟，敏感光纤的发展还会进一步加快。

尹明

2019-8-27 15:47:08

光纤传感器工作原理

光纤传感器的工作原理是将光作为信号载体，通过光纤来传送信号。由于光纤具有良好的传光性能，对光的损耗极低，而且光纤传输光信号的频带非常宽，再加上光纤本身就是一种敏感无件，所以光纤传感器所具有的许多优良特征为其它所有传统的传感器所不及。

国外桥梁检测中的光纤传感技术

1989年美国布朗大学(Brown University)的门德斯(Mendez)等人首先提出了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测的可能性。之后，美国、加拿大、英国、德国、日本、瑞士等发达国家纷纷将光纤传感器技术应用在桥梁、大坝等大型民用基础设施的安全监测中，取得了令人鼓舞的进展。

加拿大的Rotest公司研制的白光法布里-珀罗光纤传感器就是其中一例。该公司将这种传感器用于桥梁结构中的应力、应变、结构振动、结构的损伤程度和裂缝的发生与发展等内部状态的检测，取得了较好的测试结果。这种基于白光干涉的光纤传感器，具有很高的精度和重复性，可安装在建筑物的表面，或埋入其内部，连续地对诸如应变、应力、位移、裂缝、孔隙压力和温度等状况进行监测。

Fabry-Perot传感器是在光纤中制造一个真空腔，当光束通过传感光纤入射到腔内时，会在真空腔的两个端面分别反射，并沿原路返回。此真空腔称为光纤珐珀腔(F-P腔)，若入射到F-P腔的光路为I。入射光束的中心波长为入，F-P腔的腔长为L，两束反射光束相遇干涉后的输出光强IR近似为：

如果用光纤把F-P腔、光源和光电探测器连接起来就可构成检测系统，当把光纤传感器安装在被测体上时，被测体的内部应变使得光纤F-P腔传感器的腔长L同步变化，从而改变输出光强IR由(1)式可推得F-P腔的腔长乃至被测体的变形量。

除Rotest公司之外，世界各国还有多家企业及实验室从事这方面的研究。其中加拿大在1993年将光纤传感器预装到一座碳纤维预应力混凝土公路桥上，在桥开通后连续监测了八个月，测量了混凝土内部的整体分布应变，并用动态规化理论处理数据，准确而又快速的评估了桥梁的使用状态及寿命。多伦多大学灵巧结构实验室的Aravie等人用布喇格光纤光栅传感器测量了加拿大Beddington大桥的应力。1996年，美国海军实验研究中心研制了新墨西哥州I-10桥健康检测系统，它由60个FBG(光纤布喇格光栅)传感器组成，可实现动态与静态应变测量。1997年，美国的佛丝特-米勒公司也用FBG传感器完成了俄亥俄州巴特勒县高速公路桥的健康检测系统。

美国的维蒙特大学与美国电光子公司合作研制了用于检测桥梁、公路的光纤腐蚀传感器技术，并在1997年的夏季首次应用在维蒙特市北部的3座桥上，取得了较好的测量效果。

基于准相干光纤应变或变形传感器的传感头可方便的埋入混凝土结构的内部或固定于任意结构的外部。为了和传统的电检测技术比较，瑞士智能结构公司于1995年在日内瓦附近的一座高速公路桥上，同时安装了光纤传感器和传统的应变片、热电偶应变传感器。但是只有光纤传感器完成了从施工、竣工、检验和通车使用的整个过程中的混凝土固化热收缩应变负荷试验，长期应用考验。

国外桥梁检测中的光纤传感技术

1989年美国布朗大学(Brown University)的门德斯(Mendez)等人首先提出了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测的可能性。之后，美国、加拿大、英国、德国、日本、瑞士等发达国家纷纷将光纤传感器技术应用在桥梁、大坝等大型民用基础设施的安全监测中，取得了令人鼓舞的进展。

加拿大的Rotest公司研制的白光法布里-珀罗光纤传感器就是其中一例。该公司将这种传感器用于桥梁结构中的应力、应变、结构振动、结构的损伤程度和裂缝的发生与发展等内部状态的检测，取得了较好的测试结果。这种基于白光干涉的光纤传感器，具有很高的精度和重复性，可安装在建筑物的表面，或埋入其内部，连续地对诸如应变、应力、位移、裂缝、孔隙压力和温度等状况进行监测。

Fabry-Perot传感器是在光纤中制造一个真空腔，当光束通过传感光纤入射到腔内时，会在真空腔的两个端面分别反射，并沿原路返回。此真空腔称为光纤珐珀腔(F-P腔)，若入射到F-P腔的光路为I。入射光束的中心波长为入，F-P腔的腔长为L，两束反射光束相遇干涉后的输出光强IR近似为：

如果用光纤把F-P腔、光源和光电探测器连接起来就可构成检测系统，当把光纤传感器安装在被测体上时，被测体的内部应变使得光纤F-P腔传感器的腔长L同步变化，从而改变输出光强IR由(1)式可推得F-P腔的腔长乃至被测体的变形量。

除Rotest公司之外，世界各国还有多家企业及实验室从事这方面的研究。其中加拿大在1993年将光纤传感器预装到一座碳纤维预应力混凝土公路桥上，在桥开通后连续监测了八个月，测量了混凝土内部的整体分布应变，并用动态规化理论处理数据，准确而又快速的评估了桥梁的使用状态及寿命。多伦多大学灵巧结构实验室的Aravie等人用布喇格光纤光栅传感器测量了加拿大Beddington大桥的应力。1996年，美国海军实验研究中心研制了新墨西哥州I-10桥健康检测系统，它由60个FBG(光纤布喇格光栅)传感器组成，可实现动态与静态应变测量。1997年，美国的佛丝特-米勒公司也用FBG传感器完成了俄亥俄州巴特勒县高速公路桥的健康检测系统。

美国的维蒙特大学与美国电光子公司合作研制了用于检测桥梁、公路的光纤腐蚀传感器技术，并在1997年的夏季首次应用在维蒙特市北部的3座桥上，取得了较好的测量效果。

基于准相干光纤应变或变形传感器的传感头可方便的埋入混凝土结构的内部或固定于任意结构的外部。为了和传统的电检测技术比较，瑞士智能结构公司于1995年在日内瓦附近的一座高速公路桥上，同时安装了光纤传感器和传统的应变片、热电偶应变传感器。但是只有光纤传感器完成了从施工、竣工、检验和通车使用的整个过程中的混凝土固化热收缩应变负荷试验，长期应用考验。

李剑

2019-8-27 15:47:31

国内桥梁检测中的光纤传感技术

目前，国内对桥梁的检测都是在设计、施工安装完毕，交付使用之后，才对桥梁进行定点的检测。采用的方法是电检测方法。如前面所述，在梁体某个部位上，外粘应变片这种方法的局限性较大，费时费力；而且所检测的数据都是某个时间点上的数据，同时由于施工质量，安装等因素的影响，与原始设计参数有一定的误差。

从90年代开始，我国就开始了光纤传感技术的应用研究。清华大学，同济大学，重庆大学，哈尔滨理工大学等院校对光纤传感器应用于桥梁检测进行了理论研究，并在实验室中做了样机实验，取得了较好的效果。

哈尔滨工程大学的苑立波教授依据白光干涉原理设计了光纤传感器。与Retest公司不同的是，他设计的是光纤Michelsou结构的白光干涉仪，通过比较光程差的方法来间接地测量传感器长度随桥索的应力、应变的变化特性。

清华大学电子工程系的廖延彪教授建立了一种新的波长干涉仪实验系统。系统中采用了波长扫描光源，并用了两个准直结构的法布里-珀罗干涉仪，一个作为参考干涉仪，另一个作为传感干涉仪，从而实现了较大范围的绝对距离测量，并放宽了对于光源稳定性和扫描重复性的要求，使系统在距离的长期监控测量方面较现有的其它测量方法具有更大的优势。

光纤光栅多传感器技术应用于汽车

随着现代科学技术的发展，汽车信息传输必将采用光纤而不是铜导线作为传输媒介。在汽车中使用光纤作为传输媒介，导入光纤类传感器，不仅可以减少汽车重量和提高数据传输速率，而且还能降低能源消耗，从而大大提高产品竞争能力。

检测原理

光纤光栅的周期是沿着光纤的长度方向刻写的，当光纤所处的环境状况发生变化时，引起光纤伸长或者缩短，光栅的周期被改变，使光纤反射和传输的波带发生变化，通过测量这种变化即可测知环境因素的变化。温度和纵向应力通过这种方法被测量，而其它一些环境参量，比如电磁场，压力等，也可以通过适当的转换位置，转换成应力来加以测量。

对车轮速度的测量

如果我们在轮胎上粘贴一个刻在保偏光纤上的光纤光栅，在汽车行驶的过程中，轮胎上的光纤光栅会受到周期性的冲击压力的作用。在此压力的作用下，保偏光纤上的同一个光纤光栅的两个波峰会周期性的张开和复原，每两个峰张开一次，即给出一个脉冲信号。以一个计时器记录两个脉冲之间的时间间隔τ，并假定轮胎的周长是固定不变的为2πR，则车轮速度为：

用光纤传感器检测汽车的车轮速度，成本低、能耗小、耐久性好、精度高，信号稳定性好，而且光纤尺寸小，重量轻，对车轮的影响几乎可忽略不计，因而是替代现有汽车车轮速度传感器的理想产品。汽车轮胎的健康状况是在线的监测技术，对汽车轮胎的安全运行提供了新的技术保障。在我国自有汽车技术奇缺而汽车市场日趋庞大的情况下，研究此类自主技术具有重大的现实意义。

红外光纤传感技术测量液体的浓度

目前国内原油含水分析仪的工作原理主要有比重法、r射线法、射频法以及电容法等。这其中，比重法测量准确率较低，r射线法能够满足高低含水在线检测要求，缺点是价格过高，放射源管理难度大；射频法具有精度高、测量范围广等优点。但由于井下测量环境复杂，条件恶劣，应用以上原理的测量仪器都普遍存在易腐蚀等缺点。

而光纤探头具有体积小、造价低、耐腐蚀等特点，而且光纤传感技术目前在工业生产(尤其在石油化工等领域)的检测中已得到广泛的应用。为此，提出了一种红外光纤检测原油浓度的多种方法。以自制的1310nm激光器为光源，在光源与光纤的探头之间采用透镜耦合方式，实现最佳耦合，得到最大的传输效率。该实验方法也可用于其他液体浓度的检测。

光纤传感器技术特点及发展前景

概括来讲，光纤传感器的优良特征主要包括重量轻、体积小、敏感性高、动态测量范围大、传输频带宽、易于转向作业以及它的波形特征能够与客观情况相适应等诸多优点，因此能够较好地实现实时操作、联机检测和自动控制。譬如，一个初级位移光纤传感系统包括光放射体(光源、光纤头及光接收器)和光电转换元件。其工作原理为：光放射体发出的光，经由输入光纤被传送到反射镜上——输出光纤接收到光信号——光电转换元件将光信号转换成电子信号。鉴于这样的工作原理，我们完全可以根据所接收到的光度的密度来推断出来可测得的位移量。如果能够将这样的初级探测系统的结构做一些改进并消除其死区的话，其分辨率往往可以高达至0.01μm以上。在柔性机构制造系统中，光纤位移探测器联机探油系统的光纤孔径中，总共包括4组光纤维，其中的两组用于地址分配，另外两组则执行测量任务。

光纤还可以应用于3D表面的无触点测量。近年来，随着半导体激光LD、CCD、CMOS图形传感器、方位探测量装置PSD等新一代探测设备的问世，光纤无触点测量技术得到了空前迅速的发展。

国内桥梁检测中的光纤传感技术

目前，国内对桥梁的检测都是在设计、施工安装完毕，交付使用之后，才对桥梁进行定点的检测。采用的方法是电检测方法。如前面所述，在梁体某个部位上，外粘应变片这种方法的局限性较大，费时费力；而且所检测的数据都是某个时间点上的数据，同时由于施工质量，安装等因素的影响，与原始设计参数有一定的误差。

从90年代开始，我国就开始了光纤传感技术的应用研究。清华大学，同济大学，重庆大学，哈尔滨理工大学等院校对光纤传感器应用于桥梁检测进行了理论研究，并在实验室中做了样机实验，取得了较好的效果。

哈尔滨工程大学的苑立波教授依据白光干涉原理设计了光纤传感器。与Retest公司不同的是，他设计的是光纤Michelsou结构的白光干涉仪，通过比较光程差的方法来间接地测量传感器长度随桥索的应力、应变的变化特性。

清华大学电子工程系的廖延彪教授建立了一种新的波长干涉仪实验系统。系统中采用了波长扫描光源，并用了两个准直结构的法布里-珀罗干涉仪，一个作为参考干涉仪，另一个作为传感干涉仪，从而实现了较大范围的绝对距离测量，并放宽了对于光源稳定性和扫描重复性的要求，使系统在距离的长期监控测量方面较现有的其它测量方法具有更大的优势。

光纤光栅多传感器技术应用于汽车

随着现代科学技术的发展，汽车信息传输必将采用光纤而不是铜导线作为传输媒介。在汽车中使用光纤作为传输媒介，导入光纤类传感器，不仅可以减少汽车重量和提高数据传输速率，而且还能降低能源消耗，从而大大提高产品竞争能力。

检测原理

光纤光栅的周期是沿着光纤的长度方向刻写的，当光纤所处的环境状况发生变化时，引起光纤伸长或者缩短，光栅的周期被改变，使光纤反射和传输的波带发生变化，通过测量这种变化即可测知环境因素的变化。温度和纵向应力通过这种方法被测量，而其它一些环境参量，比如电磁场，压力等，也可以通过适当的转换位置，转换成应力来加以测量。

对车轮速度的测量

如果我们在轮胎上粘贴一个刻在保偏光纤上的光纤光栅，在汽车行驶的过程中，轮胎上的光纤光栅会受到周期性的冲击压力的作用。在此压力的作用下，保偏光纤上的同一个光纤光栅的两个波峰会周期性的张开和复原，每两个峰张开一次，即给出一个脉冲信号。以一个计时器记录两个脉冲之间的时间间隔τ，并假定轮胎的周长是固定不变的为2πR，则车轮速度为：

用光纤传感器检测汽车的车轮速度，成本低、能耗小、耐久性好、精度高，信号稳定性好，而且光纤尺寸小，重量轻，对车轮的影响几乎可忽略不计，因而是替代现有汽车车轮速度传感器的理想产品。汽车轮胎的健康状况是在线的监测技术，对汽车轮胎的安全运行提供了新的技术保障。在我国自有汽车技术奇缺而汽车市场日趋庞大的情况下，研究此类自主技术具有重大的现实意义。

红外光纤传感技术测量液体的浓度

目前国内原油含水分析仪的工作原理主要有比重法、r射线法、射频法以及电容法等。这其中，比重法测量准确率较低，r射线法能够满足高低含水在线检测要求，缺点是价格过高，放射源管理难度大；射频法具有精度高、测量范围广等优点。但由于井下测量环境复杂，条件恶劣，应用以上原理的测量仪器都普遍存在易腐蚀等缺点。

而光纤探头具有体积小、造价低、耐腐蚀等特点，而且光纤传感技术目前在工业生产(尤其在石油化工等领域)的检测中已得到广泛的应用。为此，提出了一种红外光纤检测原油浓度的多种方法。以自制的1310nm激光器为光源，在光源与光纤的探头之间采用透镜耦合方式，实现最佳耦合，得到最大的传输效率。该实验方法也可用于其他液体浓度的检测。

光纤传感器技术特点及发展前景

概括来讲，光纤传感器的优良特征主要包括重量轻、体积小、敏感性高、动态测量范围大、传输频带宽、易于转向作业以及它的波形特征能够与客观情况相适应等诸多优点，因此能够较好地实现实时操作、联机检测和自动控制。譬如，一个初级位移光纤传感系统包括光放射体(光源、光纤头及光接收器)和光电转换元件。其工作原理为：光放射体发出的光，经由输入光纤被传送到反射镜上——输出光纤接收到光信号——光电转换元件将光信号转换成电子信号。鉴于这样的工作原理，我们完全可以根据所接收到的光度的密度来推断出来可测得的位移量。如果能够将这样的初级探测系统的结构做一些改进并消除其死区的话，其分辨率往往可以高达至0.01μm以上。在柔性机构制造系统中，光纤位移探测器联机探油系统的光纤孔径中，总共包括4组光纤维，其中的两组用于地址分配，另外两组则执行测量任务。

光纤还可以应用于3D表面的无触点测量。近年来，随着半导体激光LD、CCD、CMOS图形传感器、方位探测量装置PSD等新一代探测设备的问世，光纤无触点测量技术得到了空前迅速的发展。

郑雅颖

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