《光纤传感与测量技术-晟辉智能制造

光纤传感与测量技术是一种以光为载体、光纤为媒介的新型传感技术，通过检测光在光纤中传输时振幅、相位、波长、偏振态等光学参数的变化，实现对温度、压力、应变、振动、位移等多种物理量的高精度测量，相较于传统电传感器，光纤传感技术具有抗电磁干扰、耐高温高压、本质安全、体积小、重量轻、可实现分布式测量等显著优势，在能源、电力、石油化工、土木工程、航空航天、生物医药等领域展现出广阔的应用前景。

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光纤传感的基本原理与分类

光纤传感技术的核心原理是基于光与物质的相互作用，当外界被测物理量作用于光纤或光纤中的敏感元件时，会引起传输光波的光学特性发生改变，通过检测这些变化量即可反演得到被测物理量的信息，根据光纤在传感系统中的作用，光纤传感技术通常分为两大类：功能型光纤传感和非功能型光纤传感，功能型传感器（FF，也称为本征型光纤传感器）利用光纤本身作为敏感元件，外界物理量直接调制光纤中的光信号，如光纤光栅传感器、分布式光纤温度传感器等；非功能型传感器（NFF，也称为非本征型光纤传感器）仅将光纤作为光信号的传输介质，敏感元件为其他光学材料，光在光纤外部与敏感元件相互作用后再次进入光纤进行传输，如光纤法布里-珀罗传感器、光纤表面等离子体共振传感器等。

按照检测的光学参数不同，光纤传感器还可进一步分类：基于强度调制的传感器（如微弯光纤传感器）、基于相位调制的传感器（如光纤干涉仪）、基于波长调制的传感器（如光纤光栅传感器）、基于偏振调制的传感器（如光纤电流传感器）以及基于频率调制的传感器（如光纤多普勒传感器）等，光纤光栅传感器和分布式光纤传感器因具有高精度、高灵敏度、可实现多点或连续测量等特点,成为目前研究和应用的热点。

关键技术及系统构成

光纤传感与测量技术的实现依赖于多项核心技术的支撑，首先是光源技术，常用的光源包括宽带光源（如超辐射发光二极管SLED）、窄带光源（如分布式反馈激光器DFB）和可调谐激光器，其波长稳定性、输出功率和光谱宽度直接影响传感系统的精度和测量范围，其次是光调制与解调技术，对于相位调制型传感器，通常采用压电陶瓷（PZT）相位调制器或基于非线性光学效应的光调制技术；解调技术则包括干涉仪解调（如迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪）、光谱分析仪（OSA）检测、光相干域反射计（OCDR）等，信号处理与数据处理技术也是关键，通过小波变换、神经网络、卡尔曼滤波等算法，可有效提取微弱传感信号，抑制噪声干扰,提高测量信噪比。

一个完整的光纤传感系统通常由光源、光纤传感头（或传感光纤）、信号解调单元和信号处理与显示单元四部分构成，光源发出的光经传输光纤到达传感头，在外界被测物理量的作用下，光信号携带被测信息返回至解调单元，解调单元将光信号转换为电信号并进行处理，最终通过显示单元输出测量结果，在光纤布拉格光栅（FBG）传感系统中，宽带光源经耦合器进入光纤光栅，当光栅受到应变或温度作用时，布拉格波长发生偏移，通过光谱仪检测波长偏移量,即可计算出应变或温度值。

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主要应用领域

能源与电力领域：在电力系统中，光纤传感器可用于高压设备（如变压器、GIS设备）的温度监测、输电线路的覆冰监测、杆塔倾斜及振动监测等，分布式光纤测温系统（DTS）可实时监测电缆、变压器绕组等设备的温度分布，有效预防火灾和设备故障，在石油天然气行业，分布式光纤声波传感（DAS）技术可用于油气管道的泄漏监测和地震勘探，通过检测管道振动信号实现长距离、实时安全监控。
土木工程与结构健康监测：桥梁、隧道、大坝、高层建筑等大型基础设施的健康监测是光纤传感技术的重要应用方向，通过在混凝土结构中埋入光纤光栅或分布式光纤传感器，可长期监测结构内部的应变、温度、裂缝等参数，评估结构的安全性和耐久性，在桥梁索力监测中，FBG传感器可精确测量拉索的受力变化,为桥梁维护提供数据支持。
航空航天与国防领域：光纤传感器因其抗电磁干扰、耐高温、轻量化等特点，在航空航天领域具有不可替代的优势，可用于飞机机翼的健康监测、发动机温度与振动测量、航天器结构应变监测等，在国防领域，光纤水听器可用于水下目标探测，光纤陀螺仪（FOG）是惯性导航系统的核心部件，广泛应用于导弹、舰船、卫星等装备中。
生物医药领域：光纤传感器在生物医学检测中展现出独特优势，如光纤生物传感器可用于血糖、乳酸、DNA等生物分子的检测，具有高灵敏度、实时性和微创性，光纤内窥镜通过集成微型光学传感器，可实现对体内病灶组织的实时监测和诊断,为精准医疗提供技术支持。
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技术挑战与发展趋势

尽管光纤传感技术发展迅速，但仍面临一些挑战：一是成本问题，高精度解调设备（如光谱分析仪、相位解调仪）的价格较高，限制了其在部分领域的普及；二是环境交叉敏感问题，如光纤光栅传感器对温度和应变同时敏感，需通过特殊结构或算法实现解耦；三是长期稳定性问题，光纤传感器在复杂环境（如高温、强腐蚀）中长期工作时，可能因光纤老化、封装材料退化等导致性能下降。

光纤传感与测量技术的发展趋势主要包括：一是微型化与集成化，通过微纳加工技术将光纤传感器与光电芯片集成，开发体积更小、功能更强大的传感系统；二是智能化与网络化，结合物联网（IoT）和人工智能（AI）技术，实现传感数据的实时采集、传输、分析与智能决策；三是多功能化与多参数测量，通过单一传感头实现温度、应变、压力、振动等多参数同时测量，提高监测效率；四是新型传感机理的探索，如基于光纤表面等离子体共振（SPR）、光纤光子晶体光纤（PCF）等的新型传感器,进一步提升传感性能和应用范围。