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(wú)論是作為感測(cè)元件（“固有傳感器”），或作為從遠(yuǎn)程傳感器給該處理信號(hào)（“外在傳感器”）在電子中繼信號(hào)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?yàn)樗w積小，或者因?yàn)檫h(yuǎn)程位置不需要電力，或者因?yàn)樵S多傳感器可以通過使用每個(gè)傳感器的光波長(zhǎng)移位沿光纖長(zhǎng)度復(fù)用，或者通過感測(cè)光在光纖通過每個(gè)傳感器時(shí)的時(shí)間延遲?？梢允褂弥T如光時(shí)域反射計(jì)之類的設(shè)備來(lái)確定時(shí)間延遲可以使用實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻域反射計(jì)的儀器來(lái)計(jì)算波長(zhǎng)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(jì)成能承受高溫。光纖可以用作傳感器，通過修改光纖來(lái)測(cè)量應(yīng)變，溫度，壓力和其他量，使得待測(cè)量的量調(diào)制光纖中光的強(qiáng)度，相位，偏振，波長(zhǎng)或傳播時(shí)間。改變光強(qiáng)度的傳感器是最簡(jiǎn)單的，因?yàn)橹恍枰?jiǎn)單的光源和探測(cè)器。本征光纖傳感器的一個(gè)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(lái)測(cè)量?？梢酝ㄟ^特殊摻雜光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)來(lái)感測(cè)電壓，其改變作為電壓或電場(chǎng)的函數(shù)的光的偏振。角度測(cè)量傳感器可以基于薩格納克效應(yīng)。

長(zhǎng)周期光纖光柵（LPG）光纖等特殊光纖可用于方向識(shí)別 。英國(guó)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(gè)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(guó)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(guó)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(chǎng)或磁場(chǎng)，諸如之間的團(tuán)隊(duì)的人對(duì)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(cè)量。光纖傳感器非常適合這種環(huán)境，因?yàn)樗诎雽?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(shí)測(cè)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(shí)，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(cè)長(zhǎng)距離（20-120公里）的應(yīng)變和溫度。通過將計(jì)算長(zhǎng)度的光纖暴露于外部電場(chǎng)，在單模光纖中引入可測(cè)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(cè)量技術(shù)基于極化檢測(cè)，在惡劣的工業(yè)環(huán)境中實(shí)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(lái)檢測(cè)高頻（5MHz-1GHz）電磁場(chǎng)。所使用的光纖被設(shè)計(jì)成使得法拉第和克爾效應(yīng)在外場(chǎng)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(jì)，這種類型的光纖可用于測(cè)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(cè)方案中與適當(dāng)信號(hào)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(cè)量電功率。已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(gè)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(bào)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(gè)行業(yè)。光纖布拉格光柵對(duì)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(zhǎng)調(diào)節(jié)來(lái)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(lái)發(fā)送調(diào)制的光，無(wú)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(gè)主要好處是它們能夠到達(dá)其他地方無(wú)法進(jìn)入的地方。一個(gè)例子是通過使用光纖將輻射傳輸?shù)轿挥诎l(fā)動(dòng)機(jī)外部的輻射高溫計(jì)來(lái)測(cè)量飛機(jī) 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的溫度。外部傳感器也可以以相同的方式用于測(cè)量電力變壓器的內(nèi)部溫度，其中極端電磁場(chǎng) 目前使其他測(cè)量技術(shù)不可能。

外部光纖傳感器為測(cè)量信號(hào)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(hào)。例如，在鉑電阻溫度計(jì)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(cè)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(cè)量振動(dòng)，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(duì)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(lái)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(chǎng)，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(duì)于需要高靈敏度和高選擇性的生物傳感器。為了克服這個(gè)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(lái)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(diǎn)等。通常，這些材料在被周圍環(huán)境（目標(biāo)分析人員）刺激時(shí)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(shí)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。