光纖傳感系統(tǒng)技術(shù)背景

1.1 光纖傳感技術(shù)及廣泛應(yīng)用

光纖傳感，是指外界信號按照其變化規(guī)律使光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ奈锢硖卣鲄⒘?，如強度（功率）、波長、頻率、相位和偏振態(tài)等發(fā)生變化，測量光參量的變化，然后光纖將受到外界信號調(diào)制的光波傳輸?shù)焦馓綔y器進行檢測，這樣將外界信號從光波中提取出來并按需要進行數(shù)據(jù)處理，即為調(diào)制和解調(diào)的過程。因此，光纖傳感技術(shù)包括調(diào)制與解調(diào)兩方面的技術(shù)，即外界信號（被測量）如何調(diào)制光纖中的光波參量的調(diào)制技術(shù)（或加載技術(shù)）及如何從被調(diào)制的光波中提取外界信號（被測量）的解調(diào)技術(shù)（或檢測技術(shù)）。

光纖傳感技術(shù)發(fā)展非常迅速，我國在20世紀80年代末開始研究，雖然現(xiàn)在做出了一些成績，但是與發(fā)達國家相比還有差距，特別是能夠進行商用的光纖傳感器還比較少，今后發(fā)展和應(yīng)用的空間還很大。

光纖傳感的應(yīng)用范圍很廣，幾乎涉及國民經(jīng)濟的所有重要領(lǐng)域和人們的日常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環(huán)境中使用，解決了許多行業(yè)多年來一直存在的技術(shù)難題，具有很大的市場需求。

1.2 光纖傳感器及其優(yōu)勢

光纖最早在光學(xué)行業(yè)中用于傳光和傳像，在20世紀70年代初生產(chǎn)出低損耗光纖后，光纖在通信技術(shù)中用于長距離傳遞信息。光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質(zhì)，而且當(dāng)光波在光纖中傳播時，表征光波的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長等)因外界因素(如溫度、壓力、磁場、電場、位移等)的作用而間接或直接地發(fā)生變化，從而可將光纖用作傳感元件來探測各種待測量(物理量、化學(xué)量和生物量等)，這就是光纖傳感器的基本原理。

光纖傳感器可以分為傳感型和傳光型兩大類。利用外界因素改變光纖中光波的特征參量，從而對外界因素進行計量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅?，稱為傳感型光纖傳感器，它具有傳感合一的特點，信息的獲取和傳輸都在光纖中進行。傳光型光纖傳感器是指利用其他敏感元件測得的特征量，由光纖進行數(shù)據(jù)傳輸，它的特點是充分利用現(xiàn)有的傳感器，因而便于推廣應(yīng)用。這兩類光纖傳感器都可再分成光強調(diào)制、相位調(diào)制、偏振態(tài)調(diào)制和波長調(diào)制等幾種形式。
    與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器具有獨特的優(yōu)點: 
    (1) 抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全。由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖又是電絕緣、耐腐蝕的傳輸媒質(zhì)，并且安全可靠，這使它可以方便有效地用于各種大型機電、石油化工、礦井等強電磁干擾和易燃易爆等惡劣環(huán)境中。
    (2) 靈敏度高。光纖傳感器的靈敏度優(yōu)于一般的傳感器，其中有的已由理論證明，有的已經(jīng)實驗驗證，如測量水聲、加速度、輻射、磁場等物理量的光纖傳感器，測量各種氣體濃度的光纖化學(xué)傳感器和測量各種生物量的光纖生物傳感器等。
    (3) 重量輕、體積小、可撓曲。光纖除具有重量輕、體積小的特點外，還有可撓曲的優(yōu)點，因此可以利用光纖制成不同外型、不同尺寸的各種傳感器。這有利于航空航天以及狹窄空間的應(yīng)用。
    (4) 測量對象廣泛。目前已有性能不同的測量各種物理量、化學(xué)量的光纖傳感器在現(xiàn)場使用。
    (5) 對被測介質(zhì)影響小，有利于在生物、醫(yī)藥衛(wèi)生等具有復(fù)雜環(huán)境的領(lǐng)域中應(yīng)用。
    (6) 便于復(fù)用，便于成網(wǎng)，有利于與現(xiàn)有光通信設(shè)備組成遙測網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。
    (7) 成本低。有些種類的光纖傳感器的成本大大低于現(xiàn)有同類傳感器。
    光纖傳感器和電類傳感器的傳感原理及特性比較分別如附圖、附表所示。由此可知，光纖傳感器是一類與電類傳感器并行、互補的新型傳感器。