光纤传感技术及其应用
摘要：本文介绍了光纤传感器原理性研究的发展情况和光纤传感器产品的应用与开发的现状，光纤传感器、光纤光栅以及光纤声发射传感器, 光层析成像技术、FBG器件的应力传感器等，,阐述了光纤光栅、分布式光纤传感技术以及光纤传感网的发展，提出了我国光纤传感技术存在的问题以及发展方向。
关键词： 光纤;光纤传感器;光纤传感技术。
近几年,传感器产量的年增长率均保持在10%以上,目前全球从事传感器生产和研制的单位达5000多家。传感技术作为当今世界迅猛发展起来的技术之一,已经成为一个国家科学技术水平发展的重要标志。传感器朝着灵敏、精巧、适应性强、智能化、网络化方向发展。光纤传感技术是20世纪70年代末兴起的一项技术,现已与光纤通信并驾齐驱。光纤传感器由于其优越的性能而备受青睐,其具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度很高、测量带宽很宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点,并可以构成传感网络。先进的光纤传感器的灵敏度比传统的传感器高几个数量级,可以测量压力、温度、应力(应变)、磁场、折射率、形变、微震动、微位移、声压等,已经实现的可用光纤传感技术测量的物理量已达70多种。
光纤层析成像分析技术从兴起到应用不过只有二、三十年的时间，根据不同的原理和应用场合，可将光纤层析技术分为光相干层析成像分析(OCT)和光过程层析成像分析技术(OPT)。
光层析成像技术源于X射线层析成像分析（CT），其基本原理如图9所示。当X射线或光线传输经过被测样品时，不同的样品材料对射线的吸收特性有不同，因此对经过样品的射线或光线进行测量、分析，并根据预定的拓扑结构和设计进行解算就可以得到所需要的样品参数。
当前，世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那样迅速地获得产业化，许多关键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化有一定的距离，因此光纤传感技术
的原理性研究仍处于相当重要的位置。由于很多光纤传感器的开发是以取代当前已相当成熟，可靠性和成本已得到公认，并已经被广泛采用的传统机电传感系统为目的，所以尽管这些光纤传感器具有如电磁绝缘、高灵敏度、易复用等诸多优势，其市场渗透所面临的困难和挑战是可想而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中占有明显优势，FBG和其它的光栅类传感器就是一个最好的例证。当前的原理性研究热点集中于光纤光栅（FBG和LPG）型传感器和分布式光纤传感系统两大板块。
在世界范围内，由于对工民建和工业设施安全性和效益要求的不断提高，对集成的安全检测系统的需求逐步攀升。具备可连续、无间断、长距离测量并与被测量介质有极强的亲和性的分布式光纤传感系统似乎正是为此而量身定做的。分布式光纤传感系统通常有三种类型：拉曼型、布里渊型和FBG型。
拉曼型分布式光纤传感系统是基于光纤拉曼散射效应的连续型传感器，三种类型的传感系统中尤以拉曼型分布式传感系统最为成熟，已成功地装载于A340运输机上。
传统的工业工程类传感器包括应用光纤的电光和磁光效应进行测量的电力工业用大电压、电流传感器。
利用光纤的弹光效应和FBG器件的应力传感器已被广泛应用于应力监测中。法国Alstom 公司的铁路部 Transport S.A.领导研制的一种安装了FBG的智能型新型复合材料的转向架 。
例如，以SiO2材料为主的光纤，工作在0.8μm～1.6μm的近红外波段，目前所能达到的最低理论损耗在1550nm波长处为0.16dB／km，已接近石英光纤理论上的最低损耗极限，成为满足超宽带宽、超低损耗、高码速通信需要新型基体材料的光纤。
光纤的结构决定了光纤的传输性能，合理的折射率分布可以减少光的衰减和色散的产生，并增加光能量的传输。随着光纤通信系统的迅速发展，出现了DFF（色散平坦光纤）。为了DWDM系统能够在尽可能宽的可用波段上进行波分复用，各个公司都致力于消除OH-吸收峰，已开发出的“无水峰光纤”，可实现1350nm～1450nm第五窗口的实际应用。美国Lucent公司开发出的All Wave光纤，克服了OH-的谐波吸收，从而实现了1280nm～1625nm范围内完整波段的利用。为了
适应相干通信系统的要求，已经研制出了“熊猫”型、“蝴蝶结”型和“扁平”型的高双折射保偏光纤，另外具有“边坑”型的单模单偏振保偏光纤，以及正在研究中的蜂窝型波导光纤[9]、液晶光纤（见图20）等等，这些都将为光纤传感器的发展提供更加广泛的选择。
光纤通信的迅猛发展带动新型光纤器件和材料的不断涌现，为光纤传感系统的开发提供了必要的基础。新型材料光纤和新型结构光纤前景看好。
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。只要我们加大对光纤传感技术研究的人力、物力、财力的投入,一定会使这一技术得到很大提高,有助于改变我国传感器技术和产业落后的现状,提高我国国防事业与工业的科学技术水平。
参考文献
[1]张森,王洪宇.光纤声发射检测方法的研究[J].光通信技术,2005,29(3):59-61.
[2]金龙,张伟刚,涂勤昌,等.干涉技术在光纤传感设计中的应用[J].激光与光电子学
展,2004,41(3):51-56.
[3]廖延彪.光纤传感技术对工业发展的促进作用[J].物理,2003,32(9):323-326.
[4] 立波.光源与纤端光场[J].光通信技术,1994,18(9):54-64.
[5] 金龙，光纤光栅传感器实用化技术研究，纳米技术工程，2004-2（4）：319-324
光纤传感技术及其应用
摘要：本文介绍了光纤传感器原理性研究的发展情况和光纤传感器产品的应用与开发的现状，光纤传感器、光纤光栅以及光纤声发射传感器, 光层析成像技术、FBG器件的应力传感器等，,阐述了光纤光栅、分布式光纤传感技术以及光纤传感网的发展，提出了我国光纤传感技术存在的问题以及发展方向。
关键词： 光纤;光纤传感器;光纤传感技术。
近几年,传感器产量的年增长率均保持在10%以上,目前全球从事传感器生产和研制的单位达5000多家。传感技术作为当今世界迅猛发展起来的技术之一,已经成为一个国家科学技术水平发展的重要标志。传感器朝着灵敏、精巧、适应性强、智能化、网络化方向发展。光纤传感技术是20世纪70年代末兴起的一项技术,现已与光纤通信并驾齐驱。光纤传感器由于其优越的性能而备受青睐,其具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度很高、测量带宽很宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点,并可以构成传感网络。先进的光纤传感器的灵敏度比传统的传感器高几个数量级,可以测量压力、温度、应力(应变)、磁场、折射率、形变、微震动、微位移、声压等,已经实现的可用光纤传感技术测量的物理量已达70多种。
光纤层析成像分析技术从兴起到应用不过只有二、三十年的时间，根据不同的原理和应用场合，可将光纤层析技术分为光相干层析成像分析(OCT)和光过程层析成像分析技术(OPT)。
光层析成像技术源于X射线层析成像分析（CT），其基本原理如图9所示。当X射线或光线传输经过被测样品时，不同的样品材料对射线的吸收特性有不同，因此对经过样品的射线或光线进行测量、分析，并根据预定的拓扑结构和设计进行解算就可以得到所需要的样品参数。
当前，世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那样迅速地获得产业化，许多关键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化有一定的距离，因此光纤传感技术
的原理性研究仍处于相当重要的位置。由于很多光纤传感器的开发是以取代当前已相当成熟，可靠性和成本已得到公认，并已经被广泛采用的传统机电传感系统为目的，所以尽管这些光纤传感器具有如电磁绝缘、高灵敏度、易复用等诸多优势，其市场渗透所面临的困难和挑战是可想而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中占有明显优势，FBG和其它的光栅类传感器就是一个最好的例证。当前的原理性研究热点集中于光纤光栅（FBG和LPG）型传感器和分布式光纤传感系统两大板块。
在世界范围内，由于对工民建和工业设施安全性和效益要求的不断提高，对集成的安全检测系统的需求逐步攀升。具备可连续、无间断、长距离测量并与被测量介质有极强的亲和性的分布式光纤传感系统似乎正是为此而量身定做的。分布式光纤传感系统通常有三种类型：拉曼型、布里渊型和FBG型。
拉曼型分布式光纤传感系统是基于光纤拉曼散射效应的连续型传感器，三种类型的传感系统中尤以拉曼型分布式传感系统最为成熟，已成功地装载于A340运输机上。
传统的工业工程类传感器包括应用光纤的电光和磁光效应进行测量的电力工业用大电压、电流传感器。
利用光纤的弹光效应和FBG器件的应力传感器已被广泛应用于应力监测中。法国Alstom 公司的铁路部 Transport S.A.领导研制的一种安装了FBG的智能型新型复合材料的转向架 。
例如，以SiO2材料为主的光纤，工作在0.8μm～1.6μm的近红外波段，目前所能达到的最低理论损耗在1550nm波长处为0.16dB／km，已接近石英光纤理论上的最低损耗极限，成为满足超宽带宽、超低损耗、高码速通信需要新型基体材料的光纤。
光纤的结构决定了光纤的传输性能，合理的折射率分布可以减少光的衰减和色散的产生，并增加光能量的传输。随着光纤通信系统的迅速发展，出现了DFF（色散平坦光纤）。为了DWDM系统能够在尽可能宽的可用波段上进行波分复用，各个公司都致力于消除OH-吸收峰，已开发出的“无水峰光纤”，可实现1350nm～1450nm第五窗口的实际应用。美国Lucent公司开发出的All Wave光纤，克服了OH-的谐波吸收，从而实现了1280nm～1625nm范围内完整波段的利用。为了
适应相干通信系统的要求，已经研制出了“熊猫”型、“蝴蝶结”型和“扁平”型的高双折射保偏光纤，另外具有“边坑”型的单模单偏振保偏光纤，以及正在研究中的蜂窝型波导光纤[9]、液晶光纤（见图20）等等，这些都将为光纤传感器的发展提供更加广泛的选择。
光纤通信的迅猛发展带动新型光纤器件和材料的不断涌现，为光纤传感系统的开发提供了必要的基础。新型材料光纤和新型结构光纤前景看好。
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。只要我们加大对光纤传感技术研究的人力、物力、财力的投入,一定会使这一技术得到很大提高,有助于改变我国传感器技术和产业落后的现状,提高我国国防事业与工业的科学技术水平。
参考文献
[1]张森,王洪宇.光纤声发射检测方法的研究[J].光通信技术,2005,29(3):59-61.
[2]金龙,张伟刚,涂勤昌,等.干涉技术在光纤传感设计中的应用[J].激光与光电子学
展,2004,41(3):51-56.
[3]廖延彪.光纤传感技术对工业发展的促进作用[J].物理,2003,32(9):323-326.
[4] 立波.光源与纤端光场[J].光通信技术,1994,18(9):54-64.
[5] 金龙，光纤光栅传感器实用化技术研究，纳米技术工程，2004-2（4）：319-324