光纤传感器及其应用

光纤传感器是传感器的一种类型，它使用光纤无论是作为感测元件（“固有传感器”），或作为从远程传感器给该处理信号（“外在传感器”）在电子中继信号的装置。纤维在遥感中有许多用途。根据应用，可以使用光纤，因为它体积小，或者因为远程位置不需要电力，或者因为许多传感器可以通过使用每个传感器的光波长移位沿光纤长度复用，或者通过感测光在光纤通过每个传感器时的时间延迟。可以使用诸如光时域反射计之类的设备来确定时间延迟可以使用实现光学频域反射计的仪器来计算波长偏移。

光纤传感器也不受电磁干扰，不导电，因此可用于有高压电或易燃材料（如喷气燃料）的地方。光纤传感器也可以设计成能承受高温。光纤可以用作传感器，通过修改光纤来测量应变，温度，压力和其他量，使得待测量的量调制光纤中光的强度，相位，偏振，波长或传播时间。改变光强度的传感器是最简单的，因为只需要简单的光源和探测器。本征光纤传感器的一个特别有用的特征是，如果需要，它们可以在非常大的距离上提供分布式传感。

温度可以通过使用具有随温度变化的渐逝损失的光纤，或通过分析光纤中的瑞利散射，拉曼散射或布里渊散射来测量。可以通过特殊掺杂光纤中的非线性光学效应来感测电压，其改变作为电压或电场的函数的光的偏振。角度测量传感器可以基于萨格纳克效应。

长周期光纤光栅（LPG）光纤等特殊光纤可用于方向识别 。英国阿斯顿大学的光子学研究小组有一些关于矢量弯曲传感器应用的出版物。

光纤用作地震和声纳应用的水听器。已开发出每根光缆具有一百多个传感器的水听器系统。水听器传感器系统被石油工业以及一些国家的海军使用。底部安装的水听器阵列和牵引拖缆系统都在使用中。德国Sennheiser公司开发了一种用于光纤的激光麦克风。

光纤麦克风和基于光纤的耳机是在具有强电场或磁场，诸如之间的团队的人对MRI引导的手术过程中的磁共振成像（MRI）机内的患者工作的通信区域是有用的。

已开发出用于温度和压力的光纤传感器，用于油井中的井下测量。光纤传感器非常适合这种环境，因为它在半导体传感器（分布式温度传感）的温度下工作。

光纤可以制成干涉传感器，例如光纤陀螺仪，用于波音767和一些汽车模型（用于导航目的）。它们也用于制造氢传感器。

光纤布拉格光栅以非常高的精度同时测量共同定位的温度和应变。当从小型或复杂结构中获取信息时，这尤其有用。光纤布拉格光栅传感器也特别适用于远程监控，可以使用光纤电缆在距监控站250公里的位置进行查询。布里渊散射效应也可用于检测长距离（20-120公里）的应变和温度。通过将计算长度的光纤暴露于外部电场，在单模光纤中引入可测量的克尔非线性，可以产生中高压范围（100-2000V）的光纤AC / DC电压传感器。测量技术基于极化检测，在恶劣的工业环境中实现了高精度。

可以通过具有合适结构的光纤中的感应非线性效应来检测高频（5MHz-1GHz）电磁场。所使用的光纤被设计成使得法拉第和克尔效应在外场存在的情况下引起相当大的相变。通过适当的传感器设计，这种类型的光纤可用于测量不同的电磁量和纤维材料的不同内部参数。

通过使用在极化检测方案中与适当信号处理相结合的结构化大容量光纤安培传感器，可以在光纤中测量电功率。已经进行了实验以支持该技术。

光纤传感器用于电气开关设备，以将光从电弧闪光传输到数字保护继电器， 以使断路器快速跳闸，从而降低电弧爆炸中的能量。

基于光纤布拉格光栅的光纤传感器可显着提高多个行业的性能，效率和安全性。借助FBG集成技术，传感器可以提供详细的分析和全面的分析报告。这些类型的传感器广泛用于电信，汽车，航空航天，能源等多个行业。光纤布拉格光栅对静压，机械张力和压缩以及光纤温度变化很敏感。基于光纤布拉格光栅的光纤传感器的效率可以通过根据当前布拉格光栅反射光谱的发光源的中心波长调节来提供。

外在传感器
外在光纤传感器使用光纤电缆，通常是多模之一，来发送调制的光，无论是从非光纤传感器，或连接到光发射器的电子传感器。外在传感器的一个主要好处是它们能够到达其他地方无法进入的地方。一个例子是通过使用光纤将辐射传输到位于发动机外部的辐射高温计来测量飞机 喷气发动机内的温度。外部传感器也可以以相同的方式用于测量电力变压器的内部温度，其中极端电磁场 目前使其他测量技术不可能。

外部光纤传感器为测量信号提供出色的保护，防止噪声损坏。遗憾的是，许多传统传感器产生电输出，必须将其转换成与光纤一起使用的光信号。例如，在铂电阻温度计的情况下，温度变化转化为电阻变化。因此，PRT必须具有电源。然后可以通过通常类型的发射器将PRT输出端的调制电压电平注入光纤。这使测量过程复杂化并且意味着必须将低压电力电缆布线到换能器。

外部传感器用于测量振动，旋转，位移，速度，加速度，扭矩和温度。

化学传感器和生物传感器
众所周知，光纤中光的传播基于全内反射（TIR）原理和包层内的近零传播损耗被限制在光纤的纤芯中，这对光通信非常重要但限制由于光与周围环境不相互作用，其传感应用。因此，必须利用新颖的光纤结构来干扰光传播，从而使光与周围环境相互作用并构建光纤传感器。到目前为止，已经提出了几种方法，包括抛光，化学蚀刻，锥形，弯曲以及飞秒光栅刻字，以定制光传播并促进光与传感材料的相互作用。在上述光纤结构中，可以有效地激发增强的消逝场，以诱导光暴露于周围介质并与周围介质相互作用。然而，纤维本身只能感知极少数类型的低灵敏度和零选择性分析物，这极大地限制了它们的开发和应用，特别是对于需要高灵敏度和高选择性的生物传感器。为了克服这个问题，一种有效的方法是采用响应材料，一旦周围环境发生变化，它就具有改变其性质的能力，例如RI，吸收，电导率等。由于近年来功能材料的快速发展，各种传感材料可用于光纤化学传感器和生物传感器制造，包括石墨烯，金属和金属氧化物，碳纳米管，纳米线，纳米粒子，聚合物，量子点等。通常，这些材料在被周围环境（目标分析人员）刺激时可逆地改变其形状/体积，然后导致RI的变化或传感材料的吸收。因此，周围的变化将被光纤记录和询问，实现光纤的传感功能。目前，各种光纤化学传感器和生物传感器已被提出并证明。