光纤传感器原理是什么 光纤传感器原理及特点【详解】

光纤传感器以光作为敏感信息的载体，以光纤作为传输敏感信息的介质。它兼有光纤和光学测量的特点，具有一系列独特的优势。电绝缘性好，抗电磁干扰能力强，非侵入性，灵敏度高，易于实现对被测信号的远程监测，耐腐蚀，防爆，光路灵活，易于与计算机连接。

【光纤传感器】光纤传感器的原理是什么？光纤传感器的特点及应用

近年来，传感器正朝着灵敏、准确、适应、紧凑和智能的方向发展。在这个过程中，传感器家族的新成员光纤传感器备受青睐。光纤具有许多优异的性能，如抗电磁干扰和原子辐射、直径小、质软、重量轻等。绝缘和无感的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀等化学性能。它可以在人无法到达的地方(如高温区)或对人有害的区域(如核辐射区)发挥人的眼睛和耳朵的作用，也可以超越人的生理界限，接收人的感官感受不到的外界信息。

光纤传感器的基本结构和原理

该传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器和解调器组成。基本原理是光源发出的光通过入射光纤送到调制区，光在调制区与被测参数相互作用，使光学特性(如强度、波长、频率、相位、偏斜度等。)的光发生变化，成为调制信号光，然后通过出射光纤送到光电探测器和解调器，获得被测参数。

根据传感原理，光纤传感器可分为两种:一种是光传输型(非功能型)传感器，另一种是传感型(功能型)传感器。在透光型光纤传感器中，光纤仅作为光的传输介质，被测信号的传感由其他敏感元件完成。在这种传感器中，出射光纤和入射光纤是不连续的，它们之间的调制器是光谱变化或其他性质的敏感元件。在传感光纤传感器中，光纤既具有对被测信号的敏感性，又具有光信号的传输功能，而且信号的“sSense还有Pass使得传感器中光纤是连续的。

由于这两种传感器中光纤的作用不同，对光纤的要求也不同。在透光型传感器中，光纤只起到传输光的作用，通信光纤甚至普通的多模光纤都可以满足要求，而敏感元件可以采用优质材料灵活实现，所以这类传感器的灵敏度可以很高，但需要更多的光耦合器件，结构复杂。传感光纤传感器的结构相对简单，可以少用一些耦合器件，但对光纤的要求较高，往往需要使用对被测信号敏感、传输特性好的专用光纤。到目前为止，实践中多采用前者，但随着光纤制造技术的提高，传感型光纤传感器将得到广泛应用。

根据光在光纤中的调制原理，光纤传感器可分为强度调制型、相位调制型、偏振调制型、频率调制型和波长调制型。到目前为止，光纤传感器可以测量70多种物理量。

光纤传感器特性

与传统传感器相比，光纤传感器具有独特的优势:

(1)高灵敏度

因为光是一种波长极短的电磁波，所以可以通过它的相位得到它的光程。以光纤干涉仪为例。由于所用的光纤直径很小，当光纤受到轻微的机械外力或温度变化时，其光程会发生变化，从而引起较大的相变。假设用一根10米长的光纤，l℃的变化引起1000Ard的相位变化，如果能检测到的最小相位变化为0.01ard，那么能检测到的最小温度变化为10℃，可见其灵敏度之高。

(2)抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀和本质安全。

由于光纤传感器利用光波传输信息，且光纤是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，安全可靠，因此可以方便有效地应用于各种大型机电、石化、矿山等强电磁干扰、易燃易爆等恶劣环境中。

(3)测量速度快。

因为光传播速度最快，可以传递二维信息，所以可以用于高速测量。对于雷达和其他信号

分析需要非常高的检出率，用电子方法很难实现，但用光衍射的高速光谱分析可以解决。

(4)信息容量大。

被测信号以光波为载体，光的频率极高，所以包含的频带很宽，同一根光纤可以传输多个信号。

(5)适用于恶劣环境。

光纤是一种电介质，耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰，可用于其他传感器不适用的恶劣环境。

此外，光纤传感器还具有重量轻、体积小、灵活、测量对象广、可重复使用性好、成本低的特点。

光纤传感器的应用

由于光纤传感器具有诸多优点，因此被广泛应用于石油化工、电力、医学、土木工程等领域。

1.光纤传感器在石化系统中的应用

在石油化工系统中，由于井下环境具有高温、高压、化学腐蚀和强电磁干扰的特点，常规传感器很难在井下发挥良好的作用。而光纤本身不带电，体积小，重量轻，容易弯曲，抗电磁干扰和抗辐射性能好。特别适合在易燃易爆、空受限和强电磁干扰等恶劣环境下使用。因此，光纤传感器在油井参数测量中发挥着不可替代的作用，它将成为一项具有广阔市场前景的新技术，可应用于油气勘探和石油测井。

1.1光纤传感器在油气勘探中的应用

由于其耐高温、多通信、分布式传感能力，以及只需要很小的空空间就能满足其使用条件的特点，光纤传感器在勘探和钻井中具有特殊的优势。

光纤传感器的应用可以做成井下光谱仪、分布式温度传感器和光纤压力传感器，适合这种特殊的作业要求。

(1)井下光谱仪

如图1所示，流体分析仪可用于了解初始开发过程中的原油成分。它由两个传感器组成:一个是吸收光谱分裂光纤，另一个是荧光和气体探测器。井下流体通过地层探头引入出油管，光学传感器用于分析出油管中的流体。流体分析光谱仪提供原位井下流体分析，并改进地层流体的评估。

(2)分布式温度传感器

分布式光纤温度传感器是地下应用最广泛的光纤传感器。应用实例是监测注蒸汽稠油开采系统。将蒸汽注入重油层以降低油的粘度，从而可以开采重油。地下蒸汽温度可达250℃以上。

流体分析仪的结构

图1流体分析仪的结构

(3)压力传感器

目前，侧孔光纤压力传感器正在研制中，主要致力于超高温和井下压力监测。

目前，基于光纤传感器的其他商业产品已经出现，如用于多相流测量和分布式动态应变测量的光纤探头。其高可靠性、高效率、低消耗的技术优势是光纤产品在油田应用中取得成功的关键因素。

1.2光纤传感器在石油测井中的应用

测井是石油工业中最基本也是最关键的环节之一。压力、温度、流量等参数是油气井中的重要物理量。通过先进的技术手段对这些量进行长时间的实时监测，从而及时获取油气井中的信息，对石油工业具有重要意义。

光纤传感器对电磁干扰不敏感，能承受极端条件，包括高温、高压、强冲击和振动，能高精度测量井筒和井场的环境参数。同时，光纤传感器具有分布式测量能力，可以测量被测空的分布，给出剖面信息。而且光纤传感器的截面积小，形状短，在井筒中占据的空间非常小，为空。然而，在恶劣的地下环境中，这些特性是传统的电子传感器所不具备的。

光纤传感器可用于测量井下流量、温度、压力、水(气)含量、密度和声波。

(1)流量测量

由于光的强度、相位、频率、波长等特性在光纤传输过程中会受到流量的调制，利用一定的光学检测方法将调制量转换成电信号，就可以计算出流体的流量，这就是光纤流量计的工作原理。

(2)温度和压力的测量

分布式光纤测量系统(DTS)利用光纤后向拉曼散射的温度效应，可以实时监测光纤的温度场。EFPI(非本征F-P干涉)和FBG光纤传感器是波长编码传感器，具有高灵敏度的特点，可以同时测量压力、温度、应力等参数。

光纤热致变色温度传感器是由白光源和多模光纤组成的反射式温度传感器。光纤温度传感器利用黑体的辐射能，非接触，可测量瞬时温度，响应速度快，不需要热平衡时间，可用于高温测量。半导体吸收式光纤温度传感器利用半导体材料的吸收边波长随温度升高而向更长波长偏移的特性，选择合适的半导体发光二极管，使其光谱范围正好落在吸收边的区域，使通过半导体的光强随温度升高而减弱。

(3)水(气)含量和密度的测量

U型光纤的传输功率随外界介质的折射率而变化。光波作为信息载体，与混合流体的电阻率、流型、水质无关。基于这一原理的光纤持水率/密度传感器，从根本上解决了现有持水率存在的含水量高、无分辨率、应用放射性物质等问题。对于多相流体，油、水、气的折射率不同，所以混合流体的折射率会随着油水气比的变化而变化。因此，这种折射率调制光纤传感器不仅可以测量持液率，还可以测量流体密度，而且精度高。

(4)声学测量

地震波在不同介质中传播时，接收到的地震波波形会有所不同。根据不同的地震波形态，可以识别地层沉积层序和沉积构造，定位储层，判断窜槽，检测套管损坏和断裂，射孔层位，确定流体流量。VSP地震测井是将检波器放入井中，井中的检波器通过地面发出的地震波或井内流体流动产生的微振动来接收地震信号。永久井下光纤三分量地震勘探具有很高的灵敏度和方向性，可以产生高精度空图像，不仅可以提供近井图像，还可以提供井筒周围地层的图像，测量范围可达数千公里。它能承受恶劣的环境条件，没有运动部件和井下电子装置，能承受强烈的冲击和振动，能安装在复杂完井管柱的极小空室内。

光纤传感器在电力系统中的应用

电网结构复杂，分布广泛，高压电力线和电力通信网络存在各种隐患。因此，分布式地监控系统中的各种线路和网络就显得尤为重要。

1.高压电缆温度和应变测量中的应用

目前国外(主要是英国、日本等。)利用激光拉曼光谱效应开发了分布式光纤温度传感器产品。同时，中国也在积极开展这方面的研究工作。我国将分布式光纤温度传感技术引入电力系统电缆温度测量的研究工作才刚刚开始。

考虑到去年南方雪灾，如果能够在高压电缆上并行铺设传感光缆，实时测量电力系统电缆、杆塔等设施的温度、压力等参数，就可以及时排除风险，从而尽可能减少经济损失。可见，光纤传感器在电力系统中将有广阔的应用前景。

理想情况下，光纤应尽可能靠近缆芯放置，以便更准确地测量电缆的实际温度。对于直埋电力电缆，虽然表贴式光纤不能准确反映电缆负荷的变化，但对电缆埋地处土壤热阻的变化比较敏感，可以降低光纤的安装成本。

2.在电力传感器中的应用

电能是反映电力系统中能量转换和传输的基本量，电能计量是电能计量的重要内容。随着电力工业的快速发展，传统的电磁测量方法越来越显示出其固有的局限性，如电气绝缘、电磁干扰、磁饱和等。因此，人们一直在努力寻找测量电功率的新方法。可以说，光纤传感器的出现为人们解决这一问题带来了福音。

光纤电功率传感器的主要特点是:由于电功率传感涉及电压和电流两个电量，通常需要同时考虑电光和磁光效应，同时使用两种传感介质或一种多功能介质作为传感元件，使得光纤电功率传感头的结构相对复杂；光纤传感器的光传感信号有时同时包含电压和电流信号，因此其信号检测和处理方法会比较复杂。

3.在电力系统光缆监测中的应用

系统中有多种电力光缆。此外，我国幅员辽阔，各地环境差异很大，光缆所处的环境也很复杂，其中温度和应力是影响光缆性能的主要环境因素。因此，在监测光纤断点的同时监测光缆的温度和应力，对光缆的故障预警和维护具有深远的意义。

通过测量布里渊散射光沿光纤长度的频移和强度，可以获得光纤的温度和应变信息，且传感距离远，具有深远的工程研究价值。

基于布里渊光时域反射(BOTDR)的分布式光纤传感系统采用相干检测技术，系统原理如图1所示。

基于BOTDR传感系统原理

图1是基于BOTDR传感系统的原理

BOTDR光纤传感系统测量的是光纤自释放的布里渊散射信号，其信号强度很弱，但可以利用相干检测技术提高系统的信噪比。该方案可以在单光源和单端的情况下工作。该系统简单易行，能同时监测光纤的断点、损耗、温度和应变。

光纤传感器在医学中的应用

医学应用目前，医用光纤传感器主要是光传输型的。由于其体积小、绝缘、不受射频和微波干扰、测量精度高、与生物体亲和性好等优点，备受关注。本文将主要介绍光纤在压力测量、血流速度测量和pH值测量中的应用。此外，它还可以应用于温度测量和医学图像传输。

1.压力测量

目前，临床上使用的压力传感器主要用于测量血管内血压、颅内压、心内压、膀胱和尿道压等。用于测量血压的压力传感器如图1所示。压力敏感部分是探针导管端侧壁上的防水膜，膜上连接有带悬臂的微镜，与镜子相对的一束光纤用于将入射光同时传输到镜子和反射光。当薄膜有压力时。薄膜变形并能驱动悬臂改变反射镜的角度。来自光纤的光束照射反射器，然后反射到光纤的末端。因为反射光的方向随着镜子的角度而改变，所以光纤接收的反射光的强度也改变。这种变化通过光纤传到另一端的光电探测器，变成电信号，这样通过电压的变化就可以知道探头处的压力。

图1光纤压力计探头

2.血流速度测量

多普勒光纤流速传感器测量皮下组织血流速度的视图图2该装置利用了光纤的端面反射现象，测量系统结构简单。

光纤压力计探头

图2光纤压力计探头

发光频率为F的激光通过透镜，光纤被送到表皮组织。对于静止的组织，如血管壁，反射光不会产生频移；但对于皮质毛细血管中速度为0的红细胞，反射光会有频移，其频率变化为△f；频移的反射光强度与红细胞的浓度成正比，频率的变化值可以与红细胞的运动速度成正比。发出的光被光纤收集后，首先在光电探测器上混合，然后进入信号处理器，从而获得红细胞的运动速度和浓度。

3.pH值测量

图3是用于测量活组织和血液pH值的光纤光谱传感器的示意图。其工作原理是用波长的分布光谱来测量发射光和透射光的强度。在这种传感器中，两根光纤被插入离子可渗透的纤维素胶囊中。胶囊装有一种试剂。当针插入组织或血管时，体液渗透到试剂中，导致试剂吸收特定波长的光。血液或组织的pH值可以通过用光谱分析仪测量这种变化来获得。

测量pH值的光纤光谱仪

图3测量pH值的光纤光谱仪