光纖傳感器及其應(yīng)用

光纖傳感器是傳感器的一種類型，它使用光纖無論是作為感測元件（“固有傳感器”），或作為從遠(yuǎn)程傳感器給該處理信號（“外在傳感器”）在電子中繼信號的裝置。纖維在遙感中有許多用途。根據(jù)應(yīng)用，可以使用光纖，因為它體積小，或者因為遠(yuǎn)程位置不需要電力，或者因為許多傳感器可以通過使用每個傳感器的光波長移位沿光纖長度復(fù)用，或者通過感測光在光纖通過每個傳感器時的時間延遲?？梢允褂弥T如光時域反射計之類的設(shè)備來確定時間延遲可以使用實現(xiàn)光學(xué)頻域反射計的儀器來計算波長偏移。

光纖傳感器也不受電磁干擾，不導(dǎo)電，因此可用于有高壓電或易燃材料（如噴氣燃料）的地方。光纖傳感器也可以設(shè)計成能承受高溫。光纖可以用作傳感器，通過修改光纖來測量應(yīng)變，溫度，壓力和其他量，使得待測量的量調(diào)制光纖中光的強(qiáng)度，相位，偏振，波長或傳播時間。改變光強(qiáng)度的傳感器是最簡單的，因為只需要簡單的光源和探測器。本征光纖傳感器的一個特別有用的特征是，如果需要，它們可以在非常大的距離上提供分布式傳感。

溫度可以通過使用具有隨溫度變化的漸逝損失的光纖，或通過分析光纖中的瑞利散射，拉曼散射或布里淵散射來測量?？梢酝ㄟ^特殊摻雜光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)來感測電壓，其改變作為電壓或電場的函數(shù)的光的偏振。角度測量傳感器可以基于薩格納克效應(yīng)。

長周期光纖光柵（LPG）光纖等特殊光纖可用于方向識別 。英國阿斯頓大學(xué)的光子學(xué)研究小組有一些關(guān)于矢量彎曲傳感器應(yīng)用的出版物。

光纖用作地震和聲納應(yīng)用的水聽器。已開發(fā)出每根光纜具有一百多個傳感器的水聽器系統(tǒng)。水聽器傳感器系統(tǒng)被石油工業(yè)以及一些國家的海軍使用。底部安裝的水聽器陣列和牽引拖纜系統(tǒng)都在使用中。德國Sennheiser公司開發(fā)了一種用于光纖的激光麥克風(fēng)。

光纖麥克風(fēng)和基于光纖的耳機(jī)是在具有強(qiáng)電場或磁場，諸如之間的團(tuán)隊的人對MRI引導(dǎo)的手術(shù)過程中的磁共振成像（MRI）機(jī)內(nèi)的患者工作的通信區(qū)域是有用的。

已開發(fā)出用于溫度和壓力的光纖傳感器，用于油井中的井下測量。光纖傳感器非常適合這種環(huán)境，因為它在半導(dǎo)體傳感器（分布式溫度傳感）的溫度下工作。

光纖可以制成干涉?zhèn)鞲衅?，例如光纖陀螺儀，用于波音767和一些汽車模型（用于導(dǎo)航目的）。它們也用于制造氫傳感器。

光纖布拉格光柵以非常高的精度同時測量共同定位的溫度和應(yīng)變。當(dāng)從小型或復(fù)雜結(jié)構(gòu)中獲取信息時，這尤其有用。光纖布拉格光柵傳感器也特別適用于遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以使用光纖電纜在距監(jiān)控站250公里的位置進(jìn)行查詢。布里淵散射效應(yīng)也可用于檢測長距離（20-120公里）的應(yīng)變和溫度。通過將計算長度的光纖暴露于外部電場，在單模光纖中引入可測量的克爾非線性，可以產(chǎn)生中高壓范圍（100-2000V）的光纖AC / DC電壓傳感器。測量技術(shù)基于極化檢測，在惡劣的工業(yè)環(huán)境中實現(xiàn)了高精度。

可以通過具有合適結(jié)構(gòu)的光纖中的感應(yīng)非線性效應(yīng)來檢測高頻（5MHz-1GHz）電磁場。所使用的光纖被設(shè)計成使得法拉第和克爾效應(yīng)在外場存在的情況下引起相當(dāng)大的相變。通過適當(dāng)?shù)膫鞲衅髟O(shè)計，這種類型的光纖可用于測量不同的電磁量和纖維材料的不同內(nèi)部參數(shù)。

通過使用在極化檢測方案中與適當(dāng)信號處理相結(jié)合的結(jié)構(gòu)化大容量光纖安培傳感器，可以在光纖中測量電功率。已經(jīng)進(jìn)行了實驗以支持該技術(shù)。

光纖傳感器用于電氣開關(guān)設(shè)備，以將光從電弧閃光傳輸?shù)綌?shù)字保護(hù)繼電器， 以使斷路器快速跳閘，從而降低電弧爆炸中的能量。

基于光纖布拉格光柵的光纖傳感器可顯著提高多個行業(yè)的性能，效率和安全性。借助FBG集成技術(shù)，傳感器可以提供詳細(xì)的分析和全面的分析報告。這些類型的傳感器廣泛用于電信，汽車，航空航天，能源等多個行業(yè)。光纖布拉格光柵對靜壓，機(jī)械張力和壓縮以及光纖溫度變化很敏感?；诠饫w布拉格光柵的光纖傳感器的效率可以通過根據(jù)當(dāng)前布拉格光柵反射光譜的發(fā)光源的中心波長調(diào)節(jié)來提供。

外在傳感器
外在光纖傳感器使用光纖電纜，通常是多模之一，來發(fā)送調(diào)制的光，無論是從非光纖傳感器，或連接到光發(fā)射器的電子傳感器。外在傳感器的一個主要好處是它們能夠到達(dá)其他地方無法進(jìn)入的地方。一個例子是通過使用光纖將輻射傳輸?shù)轿挥诎l(fā)動機(jī)外部的輻射高溫計來測量飛機(jī) 噴氣發(fā)動機(jī)內(nèi)的溫度。外部傳感器也可以以相同的方式用于測量電力變壓器的內(nèi)部溫度，其中極端電磁場 目前使其他測量技術(shù)不可能。

外部光纖傳感器為測量信號提供出色的保護(hù)，防止噪聲損壞。遺憾的是，許多傳統(tǒng)傳感器產(chǎn)生電輸出，必須將其轉(zhuǎn)換成與光纖一起使用的光信號。例如，在鉑電阻溫度計的情況下，溫度變化轉(zhuǎn)化為電阻變化。因此，PRT必須具有電源。然后可以通過通常類型的發(fā)射器將PRT輸出端的調(diào)制電壓電平注入光纖。這使測量過程復(fù)雜化并且意味著必須將低壓電力電纜布線到換能器。

外部傳感器用于測量振動，旋轉(zhuǎn)，位移，速度，加速度，扭矩和溫度。

化學(xué)傳感器和生物傳感器
眾所周知，光纖中光的傳播基于全內(nèi)反射（TIR）原理和包層內(nèi)的近零傳播損耗被限制在光纖的纖芯中，這對光通信非常重要但限制由于光與周圍環(huán)境不相互作用，其傳感應(yīng)用。因此，必須利用新穎的光纖結(jié)構(gòu)來干擾光傳播，從而使光與周圍環(huán)境相互作用并構(gòu)建光纖傳感器。到目前為止，已經(jīng)提出了幾種方法，包括拋光，化學(xué)蝕刻，錐形，彎曲以及飛秒光柵刻字，以定制光傳播并促進(jìn)光與傳感材料的相互作用。在上述光纖結(jié)構(gòu)中，可以有效地激發(fā)增強(qiáng)的消逝場，以誘導(dǎo)光暴露于周圍介質(zhì)并與周圍介質(zhì)相互作用。然而，纖維本身只能感知極少數(shù)類型的低靈敏度和零選擇性分析物，這極大地限制了它們的開發(fā)和應(yīng)用，特別是對于需要高靈敏度和高選擇性的生物傳感器。為了克服這個問題，一種有效的方法是采用響應(yīng)材料，一旦周圍環(huán)境發(fā)生變化，它就具有改變其性質(zhì)的能力，例如RI，吸收，電導(dǎo)率等。由于近年來功能材料的快速發(fā)展，各種傳感材料可用于光纖化學(xué)傳感器和生物傳感器制造，包括石墨烯，金屬和金屬氧化物，碳納米管，納米線，納米粒子，聚合物，量子點等。通常，這些材料在被周圍環(huán)境（目標(biāo)分析人員）刺激時可逆地改變其形狀/體積，然后導(dǎo)致RI的變化或傳感材料的吸收。因此，周圍的變化將被光纖記錄和詢問，實現(xiàn)光纖的傳感功能。目前，各種光纖化學(xué)傳感器和生物傳感器已被提出并證明。