光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速崛起的一门新型传感技术，它的核心思想是以光波为载体，以光纤为媒介,感知和传输外界被测量的信息。
（图片来源网络，侵删）
什么是光纤传感技术？
光纤传感技术就是利用光纤来“感觉”温度、压力、振动、应变、磁场、化学物质等各种物理、化学和生物量。
其基本工作原理可以概括为：
- 传感：外界被测量（如温度变化）作用于光纤，导致光纤中传输的光波的某个或某些特性（如强度、相位、波长、频率、偏振态）发生变化。
- 传输：携带了被测量信息的光波继续在光纤中传输,到达解调设备。
- 解调：解调设备检测光波特性的变化，并将其转换为电信号,通过算法计算出被测量的具体数值。
光纤传感技术的核心优势
与传统的电学传感器相比，光纤传感器具有无与伦比的优点,这也是其得以广泛应用的根本原因：
- 本质安全，抗电磁干扰：光纤由石英玻璃等绝缘材料制成，传输的是光信号而非电信号，它可以在强电磁场（如高压变电站、变电站）、易燃易爆（如石油化工、煤矿）等恶劣环境中安全工作,不会产生电火花。
- 灵敏度高，精度高：光波的相位、波长等变化可以被极其精密地检测出来,因此光纤传感器的灵敏度通常远高于传统传感器。
- 电绝缘，耐腐蚀：光纤本身是电绝缘体，耐高压、耐腐蚀，寿命长,特别适合在化学腐蚀环境或长期监测中使用。
- 体积小，重量轻，柔韧性好：光纤直径只有微米级，可以方便地埋入材料内部、粘贴在结构表面，或制成微型探头,对被测对象几乎无影响。
- 可实现远距离分布式测量：这是光纤传感最独特的优势之一，一根光纤可以长达几十甚至上百公里，并沿途成百上千个点进行连续测量，实现“分布式传感”，而传统传感器只能进行“点式测量”。
- 复用能力强：可以在同一根光纤上传输多种不同波长的光信号，每个波长承载一个传感器的信息，从而实现波分复用，也可以将多根光纤组成网络，实现大规模、多点位的准分布式传感。
- 耐高温高压：特种光纤（如蓝宝石光纤、石英光纤）可以在数百甚至上千摄氏度的高温,以及数万兆帕的高压环境下正常工作。
主要的光纤传感技术原理
根据被测量引起的光波特性变化,光纤传感技术主要分为以下几大类：
（图片来源网络，侵删）
强度调制型光纤传感器
这是最简单、最直接的一种,原理是通过外界因素改变光纤中光强的强弱来进行测量。
- 原理：被测量 → 光纤的微弯、连接器的损耗、反射面的位移等 → 光信号强度变化。
- 典型应用：
- 微弯传感器：测量压力、振动。
- 对准式光纤液位计：测量液位高度。
- 光纤光栅反射/透射谱监测（需要配合滤波器）。
- 优点：结构简单、成本低。
- 缺点：受光源波动、连接器损耗等因素影响大,精度和稳定性相对较低。
相位调制型光纤传感器
这是灵敏度最高的一类传感器，原理是通过外界因素导致光纤中光波的相位发生变化,然后通过干涉技术将微小的相位差转化为可测量的光强变化。
- 原理：被测量 → 光纤长度或折射率变化 → 光波相位变化 → 干涉仪（如马赫-曾德尔干涉仪、法布里-珀罗干涉仪）输出光强变化。
- 典型应用：
- 光纤水听器：用于海洋声呐,探测水下声音信号。
- 光纤加速度计/地震仪：测量微弱的振动和地震波。
- 高精度应变/温度传感器。
- 优点：灵敏度极高。
- 缺点：系统结构复杂，对光源相干性要求高，易受环境干扰（温度、振动）,需要复杂的相位解调技术。
波长调制型光纤传感器
这是目前应用最广泛、发展最成熟的一类，核心是光纤光栅。
- 原理：在光纤纤芯中写入周期性的折射率调制结构，形成光纤光栅，当光栅周围的温度或应变发生变化时，其反射或透射光的中心波长会随之“移动”。
- 典型应用：
- 光纤布拉格光栅传感器：
- 应变监测：桥梁、大坝、隧道、飞机机翼、建筑结构的健康监测。
- 温度监测：电力电缆、变压器、高压开关柜的温度监测。
- 压力监测：油气井下的压力、温度测量。
- 长周期光栅传感器：主要用于折射率和生化传感。
- 光纤布拉格光栅传感器：
- 优点：绝对测量（波长编码，不受光强波动影响）、精度高、可靠性好、易于复用。
- 缺点：对温度和应变都敏感,进行单参量测量时需要解交叉敏感问题。
频率调制型光纤传感器
原理是利用光学多普勒效应，当移动的反射体或散射体与光纤之间存在相对运动时,反射或散射光的频率会发生偏移。
（图片来源网络，侵删）
- 原理：被测量（如速度） → 多普勒频移 → 检测频率变化。
- 典型应用：
- 激光多普勒测速仪：测量流体速度、物体运动速度。
- 光纤陀螺仪：通过测量旋转引起的萨格纳克效应来测量角速度,是现代导航系统的核心部件。
- 优点：非接触式测量,动态响应好。
- 缺点：系统复杂,成本高。
偏振态调制型光纤传感器
原理是利用外界因素（如电流、磁场）改变光纤中光波的偏振态。
- 原理：被测量 → 法拉第效应（磁光效应）、克尔效应（电光效应） → 光波偏振面旋转。
- 典型应用：
- 光纤电流传感器：替代传统电磁式电流互感器,用于高压电网。
- 光纤电压传感器：测量高压电网的电压。
- 优点：高压测量绝缘性好,无磁饱和问题。
- 缺点：易受应力、温度影响,需要保偏光纤。
关键技术：分布式光纤传感
分布式光纤传感是光纤传感技术皇冠上的明珠，它将“点”测量扩展到了“线”测量。
- 原理：利用光纤中瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射等自然存在的背向散射光，这些散射光的特性（强度、频率）与光纤沿线的温度、应变等信息密切相关，通过分析返回的散射光信号,就可以反演出整个光纤长度上各点的被测量信息。
- 主要类型：
- 瑞利散射分布式传感：主要用于温度和应变的定位（如光时域反射仪 OTDR）。
- 拉曼散射分布式传感：对温度敏感，主要用于分布式温度传感（如 DTS - Distributed Temperature Sensing），广泛应用于电力电缆、火灾预警、管道泄漏监测。
- 布里渊散射分布式传感：对温度和应变都敏感，主要用于分布式应变和温度传感（如 BOTDA/DR - Brillouin Optical Time-Domain Analysis/Reflectometry），应用于大型土木工程结构（桥梁、隧道、大坝）的健康监测。
主要应用领域
由于其独特的优势,光纤传感技术已渗透到国民经济的各个领域：
- 土木工程与基础设施：
- 桥梁、隧道、大坝、高层建筑的结构健康监测（应变、振动、沉降）。
- 公路、铁路、机场跑道的沉降和形变监测。
- 能源与电力：
- 火力、水力、风力发电厂的设备温度、振动监测。
- 高压输电电缆的分布式温度监测,防止过热火灾。
- 油气田的井下温度、压力、流量测量,管道泄漏监测。
- 石油与化工：
- 储油罐、输油管道的温度、应变、泄漏监测。
- 炼化厂的罐区、管道安全监测,本质安全。
- 交通运输：
- 飞机、高铁、船舶的结构健康监测,减重增效。
- 隧道、地铁的火灾预警和结构安全监测。
- 国防与安全：
- 光纤水听器阵列,用于水下潜艇探测和海洋声学监视。
- 边境、周界安防的振动入侵探测（如 Fence-Alert 系统）。
- 光纤陀螺仪，用于飞机、导弹、舰船的导航。
- 医疗与生物：
- 微创手术中的体内压力、温度监测。
- 磁共振成像内射频线圈的无干扰信号传输。
- 生物化学传感,检测特定分子或离子浓度。
发展趋势与未来展望
- 智能化与集成化：将传感、信号处理、数据传输功能集成在光纤或光子芯片上，实现“智能光纤传感器”。
- 多功能化：一根光纤同时测量温度、应变、振动、化学物质等多个参量。
- 新材料与新工艺：开发适用于极端环境（超高温、超高压、强腐蚀）的特种光纤传感器。
- 物联网的深度融合：作为“神经末梢”，光纤传感网络将与5G、大数据、云计算、人工智能等技术深度融合，构建覆盖城市、工厂、基础设施的“数字孪生”和智能感知体系。
- 生物医疗与柔性电子：开发可穿戴、可植入的柔性光纤传感器，用于实时、长期的健康监测。
光纤传感技术凭借其本质安全、灵敏度高、抗干扰、可实现分布式测量等卓越性能，已经成为现代传感技术中不可或缺的重要组成部分，随着技术的不断进步和成本的持续降低，它将在智慧城市、智能电网、重大工程安全、国防科技等更多领域发挥越来越关键的作用。
