光纖傳感系統技術背景

1.1 光纖傳感技術及廣泛應用

光纖傳感，是指外界信號按照其變化規律使光纖中傳輸的光波的物理特征參量，如強度（功率）、波長、頻率、相位和偏振態等發生變化，測量光參量的變化，然后光纖將受到外界信號調制的光波傳輸到光探測器進行檢測，這樣將外界信號從光波中提取出來并按需要進行數據處理，即為調制和解調的過程。因此，光纖傳感技術包括調制與解調兩方面的技術，即外界信號（被測量）如何調制光纖中的光波參量的調制技術（或加載技術）及如何從被調制的光波中提取外界信號（被測量）的解調技術（或檢測技術）。

光纖傳感技術發展非常迅速，我國在20世紀80年代末開始研究，雖然現在做出了一些成績，但是與發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，今后發展和應用的空間還很大。

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

1.2 光纖傳感器及其優勢

光纖最早在光學行業中用于傳光和傳像，在20世紀70年代初生產出低損耗光纖后，光纖在通信技術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，而且當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、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據傳輸的傳感器，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，由光纖進行數據傳輸，它的特點是充分利用現有的傳感器，因而便于推廣應用。這兩類光纖傳感器都可再分成光強調制、相位調制、偏振態調制和波長調制等幾種形式。
    與傳統的傳感器相比，光纖傳感器具有獨特的優點: 
    (1) 抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質安全。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，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境中。
    (2) 靈敏度高。光纖傳感器的靈敏度優于一般的傳感器，其中有的已由理論證明，有的已經實驗驗證，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、化學量的光纖傳感器在現場使用。
    (5) 對被測介質影響小，有利于在生物、醫藥衛生等具有復雜環境的領域中應用。
    (6) 便于復用，便于成網，有利于與現有光通信設備組成遙測網和光纖傳感網絡。
    (7) 成本低。有些種類的光纖傳感器的成本大大低于現有同類傳感器。
    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。