光纤传感器利用光作为敏感信息的载体，光纤作为传输敏感信息的介质。它具有光纤和光学测量的特点，具有一系列独特的优势。电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，不入侵，灵敏度高，易于实现被测信号的远程监测，耐腐蚀，防爆，光路灵活，与计算机连接方便。

【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，传感器正朝着灵敏度、精度、适应性、紧凑性和智能化的方向发展。在这个过程中，光纤传感器是传感器家族的新成员。光纤具有许多优异的性能，如抗电磁干扰和原子辐射，以及直径细、质量软、重量轻的机械性能。绝缘和非感应电气性能；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)发挥人的耳目作用，还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。

光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器和解调器组成。其基本原理是将光源发出的光通过入射光纤送到调制区，光在调制区与外界测量的参数相互作用，使光的光学性质(如强度、波长、频率、相位、部分常态等)发生变化。)变化并变成调制信号光，然后通过输出光纤发送到光电探测器和解调器，以获得测量的参数。

根据传感原理，光纤传感器可以分为两类：一类是光传输(非功能)传感器，另一类是传感(功能)传感器。在透光光纤传感器中，光纤仅作为光传输介质，被测信号的传感由其他敏感元件完成。在这种传感器中，输出光纤和输入光纤是不连续的，它们之间的调制器是具有光谱变化或其他特性的敏感元件。在传感型光纤传感器中，光纤兼具对被测信号的灵敏度和光信号传输功能，将信号的“传感”和“传输”合二为一，因此这类传感器中的光纤是连续的。

由于光纤在这两种传感器中的作用不同，对光纤的要求也不同。在透光传感器中，光纤只起到透光的作用，通信光纤甚至普通的多模光纤都能满足要求，敏感元件可以用优质材料灵活实现，因此这类传感器的灵敏度可以做得很高，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，一些耦合器件可以使用的较少，但对光纤的要求较高，往往需要对被测信号敏感、传输特性好的专用光纤。到目前为止，前者大多用于实践，但随着光纤制造技术的提高，传感光纤传感器也将得到广泛应用。

根据光纤中光的调制原理，光纤传感器可分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制、波长调制等。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)灵敏度高。

由于光是波长极短的电磁波，其光学长度可以通过光的相位来获得。以光纤干涉仪为例，由于所用光纤的直径很小，当受到轻微的机械作用时，其光学长度会发生变化

由于光纤传感器利用光波传输信息，光纤是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，安全可靠，可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。

(3)测量速度快。

光的传播速度最快，可以传输二维信息，因此可以用于高速测量。用于雷达和其他信号。

该分析需要非常高的检测率，这是电子方法难以实现的，但是可以通过利用光的衍射现象的高速光谱分析来解决。

(4)信息容量大。

被测信号以光波为载体，光的频率极高，可以适应较宽的频段。同一根光纤可以传输多种信号。

(5)适合恶劣环境。

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合的恶劣环境。

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

光纤传感器的应用。

光纤传感器因其诸多优点，被广泛应用于石油化工、电力、医药、土木工程等多个领域。

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等特点，常规传感器很难在井下发挥良好的作用。但光纤本身不带电，小而轻，容易弯曲，具有良好的抗电磁干扰和抗辐射能力。特别适用于易燃易爆、空间受限、电磁干扰强等恶劣环境。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，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。

光纤传感器因其耐高温、多通信、分布式传感能力以及只需要很小的空间就能满足使用条件的特点，在勘探钻井中具有独特的优势。

光纤传感器可以制成井下光谱仪，分布式温度传感器和光纤压力传感器适合这种特殊工作。

　　(1)井下分光计

　　流体分析仪如图1所示，可用于了解初期开发过程中的原油组成成分。它由两个传感器合成：一个是吸收光谱分光纤，另一个是荧光和气体探测器。井下流体通过地层探针被引入出油管，光学传感器用于分析出油管内的流体。流体分析分光计则提供了原位井下流体分析，并对地层流体的评估加以改进。

　　(2)分布式温度传感器

　　光纤分布式温度传感器是井下应用最为流行的光纤传感器。应用实例是监测注水蒸气重油开采系统。蒸汽被注入重油层用以降低油的黏度，使稠油能够开采出来。井下蒸汽温度可高达250℃以上。

　　流体分析仪构造

　　图1流体分析仪构造

　　(3)压力传感器

　　侧孔光纤式压力传感器目前正在研发中，其主要致力于超高温和井下压力监测任务。

　　目前基于光纤传感器已经出现其他商业产品，例如，用于多相流测量和分布式动态应变测量的光纤探针。其高可靠性和高效低耗的技术优势是光纤产品在油田应用上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

　　石油测井是石油工业最基本和最关键的环节之一，压力、温度、流量等参量是油气井下的重要物理量，通过先进的技术手段对这些量进行长期的实时监测，及时获取油气井下信息，对石油工业具有极为重要的意义。

　　光纤传感器对电磁干扰不敏感而且能承受极端条件，包括高温、高压以及强烈的冲击与振动，可以高精度地测量井筒和井场环境参数，同时，光纤传感器具有分布式测量能力.可以测量被测量的空间分布，给出剖面信息。而且，光纤传感器横截面积小，外形短，在井筒中占据空间极小。而这些特性都是传统的电子传感器在井下的恶劣环境下所不具备的。

　　利用光纤传感器可以进行井下流量测量、温度测量、压力测量、含水(气)测量、密度测量、声波测量等。

　　(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的过程中会受到流量的调制，利用一定的光检测方法把调制量转换成电信号，就可以求出流体的流量，这就是光纤流量计的工作原理。

　　(2)温度及压力测量

　　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，可以对光纤所在的温度场进行实时监测，EFPI型(非本征型F-P干涉)、FBG型光纤传感器为波长编码型传感器，具有灵敏度高、可同时测量压力、温度、应力等多个参量的特点。

　　光纤热色温度传感器是由白光源、多模光纤组成的反射式温度传感器;光纤辐射式温度传感器利用黑体辐射能量，其非接触，可测瞬问温度，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其半导体材料的吸收边波长随着温度的增加而向较长波长位移的特性，选择适当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，这样透过半导体的光强就随着温度的增加而减少。

　　(3)含水(气)率及密度测量

　　U型光纤的传输功率随外界介质折射率变化而变化，光波作为信息载体，与混合流体电阻率、流型及水质无关，基于该原理的光纤持率/密度传感器从本质上解决了现有持率存在的高含水无分辨率和放射性物质的应用问题，对于多相流体油、水、气的折射率各不相同，因而混合流体的折射率会随着油、水、气比例的改变而改变。因此这种折射率调制型光纤传感器不仅能测流体持率，可同时测流体密度，其精度较高。

　　(4)声波测量

　　地震波在不同的介质中传播，接收到的地震波波形就会不同，根据不同的地震波形态，可识别地层沉积序列和沉积构造，为储层定位、判断窜槽、检测套管破损及断裂、射孔层位及确定流体流量等。VSP地震测井，就是把检波器放人井中，通过地面击发的地震波或利用井中流体流动等产生的微震动，由井中的检波器接收地震信号。永久井下光纤三分量地震测量具有高的灵敏度和方向性，能产生高精度的空间图像，不仅能提供近井眼图像，而且能提供井眼周围地层图像，测量范围能达数千公里。它能经受恶劣环境条件，且没有可移动部件和井下电子器件，能经受强的冲击和震动，可安装在复杂的完井管柱极小的空间

　　光纤传感器在电力系统的应用

　　电力系统网络结构复杂、分布面广，在高压电力线和电力通信网络上存在着各种各样的隐患，因此，对系统内各种线路、网络进行分布式监测显得尤为重要。

　　1.在高压电缆温度和应变测量中的应用

　　目前，国外(主要是英国、 等)已利用激光喇曼光谱效应研制出分布式光纤温度传感器产品。而国内也在积极地开展这方面的研究工作。国内把分布式光纤温度传感技术引入电力系统电缆测温的研究工作只是刚刚开始。

　　联系到我国南方地区去年所遭受到的雪灾来考虑，如果能在高压电缆上并行地铺设传感光缆，对电力系统电缆、铁塔等设施的温度、压力等参量进行实时测量，就能够做到及时排险，从而尽可能减少经济损失。可见，光纤传感器在电力系统将具有广泛的应用前景。

　　在理想情况下，光纤应被置于尽可能靠近电缆缆芯的位置，以更精确地测量电缆的实际温度。对于直埋动力电缆来说，表贴式光纤虽然不能准确地反映电缆负载的变化，但是对电缆埋设处土壤热阻率的变化比较敏感，而且能够减少光纤的安装成本。

　　2.在电功率传感器中的应用

　　电功率是反映电力系统中能量转换与传输的基本电量，电功率测量是电力计量的一项重要内容。随着电力工业的迅速发展，传统的电磁测量方法日益显露出其固有的局限性，如电绝缘、电磁干扰、磁饱和等问题，因而人们一直在致力于寻找测量电功率的新方法。可以说光纤传感器的出现给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：由于电功率传感同时涉及电压、电流2个电量，因而通常需要同时考虑电光、磁光效应，同时利用2种传感介质或1种多功能介质作为敏感元件，这使得光纤电功率传感头的结构相对复杂;光纤电功率传感器的光传感信号中有时同时包含电压、电流信号，因此其信号检测与处理方法也将比较复杂。

　　3.在电力系统光缆监测中的应用

　　电力系统光缆种类繁多，加之我国地域广阔，各地环境差异很大，所以光缆的环境也很复杂，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也对光缆所处温度和应力情况进行监测，可见对光缆的故障预警及维护意义深远。

　　通过测量沿光纤长度方向的布里渊散射光的频移和强度，可得到光纤的温度和应变信息，且传感距离较远，所以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基于BOTDR传感系统原理

　　BOTDR光纤传感系统测量的是光纤的自发布里渊散射信号，其信号强度非常微弱，但可以采用相干检测技术提高系统信噪比。这种方案可单光源、单端工作，系统简单，实现方便，而且可同时监测光纤断点、损耗、温度和应变。

　　传光光纤传感器在医学方面的应用

　　在医学中的应用医用光纤传感器目前主要是传光型的。以其小巧、绝缘、不受射频和微波干扰、测量精度高及与生物体亲合性好等优点备受重视。本文将主要介绍传光光纤在压力测量、血流速度测量、pH值测量三个方面的应用。此外，它还可以应用于测量温度和医用图像传输上面。

　　1.压力测量

　　目前临床上应用的压力传感器主要用来测量血管内的血压、颅内压、心内压、膀胱和尿道压力等。用来测量血压的压力传感器示意见图1。其中对压力敏感的部分是在探针导管末端侧壁上的一块防水薄膜，一面带有悬臂的微型反射镜与薄膜相连，反射镜对面是一束光纤，用来传递入射光到反射镜，同时也将反射光传送出来。当薄膜上有压力作用时。薄膜发生形变且能带动悬臂使反射镜角度发生改变，从光纤传来的光束照射到反光镜上，再反射到光纤的端点。由于反射光的方向随反射镜角度的变化而改变，因此光纤接收到的反射光的强度也随之变化。这一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便可知探针处的压力大小。

　　图1光纤体压计探针

　　2.血流速度测量

　　多普勒型光纤速度传感器测量皮下组织血流速度的示意见图2此装置利用了光纤的端面反射现象，测量系统结构简单。

　　光纤体压计探针

　　图2光纤体压计探针

　　发光频率为f的激光经透镜，光纤被送到表皮组织。对于不动的组织，例如血管壁，所反射的光不产生频移;而对于皮层毛细血管里流速为的红细胞，反射光要产生频移，其频率变化为△f;发生频移的反射光强度与红细胞的浓度成比例，频率的变化值可与红细胞的运动速度成正比。发射光经光纤收集后，先在光检测器上进行混频，然后进人信号处理仪，从而得到红细胞的运动速度和浓度。

　　3.pH值测量

　　用来测定活体组织和血液值pH光纤光谱传感器示意图，如图3所示。其工作原理是利用发射光、透射光的强度随波长的分布光谱来进行测量。这种传感器将两根光纤插入可透过离子的纤维素膜盒中.膜盒内装有试剂，当把针头插入组织或血管后，体液渗入试剂，导致试剂吸收某种波长的光.用光谱分析仪测出此种变化，即可求得血液或组织的pH值。

　　测定pH值的光纤光谱仪

　　图3测定pH值的光纤光谱仪