杏彩体育:科普百篇系列（144） 新型光纤传感器的构造及其优

　　光纤传导激光时，能量集中，传导方式灵活。激光亮度高，单色性好，光的频率单一，激光还具有强度、相位、频率、波长、偏振方面的特性。某种激光如果受到外在物理量的影响，光的具体特性会发生变化，也就是说光也是信息的载体，光可以携带需要检测的信息并用光纤传输出来。只要利用各种分析处理手段把‘光所携带的被测信息’和被测的物理量联系起来，就达到了用光去检测物理量的目的。

　　被测物理量改变了光的特性，光的某些参数被改变了，或称为光被‘调制’了。所以如果按照‘调制光参数’分类，光纤传感器可以分为‘光强调制型光纤传感器’、‘相位调制型光纤传感器’、‘频率调制型光纤传感器’、‘偏振态调制型光纤传感器’和、‘波长调制型光纤传感器’。

　　笼统地讲，光纤传感器的基本结构由三部分组成：一是‘光源’用光纤传输到被检测区；二是‘光调制’，被检测区的环境使得入射光的参数发生了改变，或者说，入射光在被检测区变为调制光，调制光是含有被测量信息的光信号；三是对调制光进行‘解调’，也就是分析并检测出‘在调制光中所携带的’、‘所需要测量的’的那些物理量。

　　光纤主要由纤芯和包层及保护层组成；纤芯是直径大约0.1 mm左右的细玻璃丝，主要成份为二氧化硅，折射较高，光可以被封闭在纤芯中沿轴向传播；包层的折射率较低；光信号在纤芯内以不断折射的形式沿着轴向传播，损耗小，信号传播的距离远。光纤的折射率影响着光的传播状态。

　　光调制是光纤传感器的关键技术之一，需要分析哪些物理量是如何改变、改变哪些光参数的。其实，所有的物理量都可以改变入射光的参数。

　　通过精细设计，可以做出根据光强变化去测量物理量的光纤传感器；可以做出根据光频率变化去测量物理量的光纤传感器；可以做出根据光波长变化去测量物理量的光纤传感器；可以做出根据光相位变化去测量物理量的光纤传感器；可以做出根据光偏振变化去测量物理量的光纤传感器。

　　如果要测量电场中的物理量，可采用电光晶体（如铌酸锂）材料实现光调制，因为在电场中，该晶体对光的折射率随外加电场而改变。

　　如果要测量磁场中的物理量，可利用磁光晶体（如钇铁石榴石）材料实现光调制，该晶体对光的偏振程度随外界磁场而改变。

　　总之，实现‘光调制’的手段和材料很多，‘光调制’的目的和作用，就是设法让‘被测物理量’去改变入射光的参数，即改变其强度、频率、波长、相位、或偏振态等，这样，调制光中就‘携带了被测信息’。

　　光解调的目的和作用，就是从调制光中分离并分析出所携带的被测信息。还要分析其参数发生了多大的变化，只有这样才能将‘光参数变化’和‘物理量变化’联系起来，才能达到检测物理量的目的。

　　要分离、分析‘携带着被测物理量的光信号’是光纤传感器的关键技术之一。如果一般的微波携带着被测信号，已经有一套成熟的方法去实现诸如‘滤波’之类的处理技术；光波也是电磁波，但是光波的频率很高，需要采用光学知识才能去实现‘滤波’技术。

　　与传统的传感器不同，光纤优良的物理、化学、机械以及传输性能，使光纤传感器具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度很高、测量带宽很宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点，并可以构成传感网络。

　　先进的光纤传感器的灵敏度比传统的传感器高几个数量级，可以测量的物理量已达百余种。总结起来它具有以下多方面的优点：

　　2.精度高，灵敏度高，响应速度快，线性特征范围宽，使用的重复性好，检测信号的信噪比高，由于现在光纤的量产化，价格低廉，可以广泛使用。

　　3.安全性好，可靠性高，抗电磁干扰能力强。光纤是由电介质材料石英制成，传输的是光信号，因此，能适应在电力、石油、化工、冶金等易燃易爆或有毒的环境条件下工作。

　　7.测量对象广泛。目前已有性能不同的多种测量温度、压力、位移、速度、液面、核辐射等各种物理量、化学量、生物量等的光纤传感器。

　　总之，光纤传感器可以用于检测磁场、电场、声场、流场、力场，可以检测压力、温度、加速度、陀螺、位移、转矩、光声、位移、震动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、电压、湿度、温度、液面、流量、浓度、PH值和应变等物理量。光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及所有重要领域，也涉及日常生活领域，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场前景。