光纖傳感器及其應用

光纖傳感器是傳感器的一種類型，它使用光纖無論是作為感測元件（“固有傳感器”），或作為從遠程傳感器給該處理信號（“外在傳感器”）在電子中繼信號的裝置。纖維在遙感中有許多用途。根據應用，可以使用光纖，因為它體積小，或者因為遠程位置不需要電力，或者因為許多傳感器可以通過使用每個傳感器的光波長移位沿光纖長度復用，或者通過感測光在光纖通過每個傳感器時的時間延遲?？梢允褂弥T如光時域反射計之類的設備來確定時間延遲可以使用實現光學頻域反射計的儀器來計算波長偏移。

光纖傳感器也不受電磁干擾，不導電，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計成能承受高溫。光纖可以用作傳感器，通過修改光纖來測量應變，溫度，壓力和其他量，使得待測量的量調制光纖中光的強度，相位，偏振，波長或傳播時間。改變光強度的傳感器是最簡單的，因為只需要簡單的光源和探測器。本征光纖傳感器的一個特別有用的特征是，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測量?？梢酝ㄟ^特殊摻雜光纖中的非線性光學效應來感測電壓，其改變作為電壓或電場的函數的光的偏振。角度測量傳感器可以基于薩格納克效應。

長周期光纖光柵（LPG）光纖等特殊光纖可用于方向識別 。英國阿斯頓大學的光子學研究小組有一些關于矢量彎曲傳感器應用的出版物。

光纖用作地震和聲納應用的水聽器。已開發(fā)出每根光纜具有一百多個傳感器的水聽器系統。水聽器傳感器系統被石油工業(yè)以及一些國家的海軍使用。底部安裝的水聽器陣列和牽引拖纜系統都在使用中。德國Sennheiser公司開發(fā)了一種用于光纖的激光麥克風。

光纖麥克風和基于光纖的耳機是在具有強電場或磁場，諸如之間的團隊的人對MRI引導的手術過程中的磁共振成像（MRI）機內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量。光纖傳感器非常適合這種環(huán)境，因為它在半導體傳感器（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測量共同定位的溫度和應變。當從小型或復雜結構中獲取信息時，這尤其有用。光纖布拉格光柵傳感器也特別適用于遠程監(jiān)控，可以使用光纖電纜在距監(jiān)控站250公里的位置進行查詢。布里淵散射效應也可用于檢測長距離（20-120公里）的應變和溫度。通過將計算長度的光纖暴露于外部電場，在單模光纖中引入可測量的克爾非線性，可以產生中高壓范圍（100-2000V）的光纖AC / DC電壓傳感器。測量技術基于極化檢測，在惡劣的工業(yè)環(huán)境中實現了高精度。

可以通過具有合適結構的光纖中的感應非線性效應來檢測高頻（5MHz-1GHz）電磁場。所使用的光纖被設計成使得法拉第和克爾效應在外場存在的情況下引起相當大的相變。通過適當的傳感器設計，這種類型的光纖可用于測量不同的電磁量和纖維材料的不同內部參數。

通過使用在極化檢測方案中與適當信號處理相結合的結構化大容量光纖安培傳感器，可以在光纖中測量電功率。已經進行了實驗以支持該技術。

光纖傳感器用于電氣開關設備，以將光從電弧閃光傳輸到數字保護繼電器， 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行業(yè)的性能，效率和安全性。借助FBG集成技術，傳感器可以提供詳細的分析和全面的分析報告。這些類型的傳感器廣泛用于電信，汽車，航空航天，能源等多個行業(yè)。光纖布拉格光柵對靜壓，機械張力和壓縮以及光纖溫度變化很敏感。基于光纖布拉格光柵的光纖傳感器的效率可以通過根據當前布拉格光柵反射光譜的發(fā)光源的中心波長調節(jié)來提供。

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，來發(fā)送調制的光，無論是從非光纖傳感器，或連接到光發(fā)射器的電子傳感器。外在傳感器的一個主要好處是它們能夠到達其他地方無法進入的地方。一個例子是通過使用光纖將輻射傳輸到位于發(fā)動機外部的輻射高溫計來測量飛機 噴氣發(fā)動機內的溫度。外部傳感器也可以以相同的方式用于測量電力變壓器的內部溫度，其中極端電磁場 目前使其他測量技術不可能。

外部光纖傳感器為測量信號提供出色的保護，防止噪聲損壞。遺憾的是，許多傳統傳感器產生電輸出，必須將其轉換成與光纖一起使用的光信號。例如，在鉑電阻溫度計的情況下，溫度變化轉化為電阻變化。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輸出端的調制電壓電平注入光纖。這使測量過程復雜化并且意味著必須將低壓電力電纜布線到換能器。

外部傳感器用于測量振動，旋轉，位移，速度，加速度，扭矩和溫度。

化學傳感器和生物傳感器
眾所周知，光纖中光的傳播基于全內反射（TIR）原理和包層內的近零傳播損耗被限制在光纖的纖芯中，這對光通信非常重要但限制由于光與周圍環(huán)境不相互作用，其傳感應用。因此，必須利用新穎的光纖結構來干擾光傳播，從而使光與周圍環(huán)境相互作用并構建光纖傳感器。到目前為止，已經提出了幾種方法，包括拋光，化學蝕刻，錐形，彎曲以及飛秒光柵刻字，以定制光傳播并促進光與傳感材料的相互作用。在上述光纖結構中，可以有效地激發(fā)增強的消逝場，以誘導光暴露于周圍介質并與周圍介質相互作用。然而，纖維本身只能感知極少數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)和應用，特別是對于需要高靈敏度和高選擇性的生物傳感器。為了克服這個問題，一種有效的方法是采用響應材料，一旦周圍環(huán)境發(fā)生變化，它就具有改變其性質的能力，例如RI，吸收，電導率等。由于近年來功能材料的快速發(fā)展，各種傳感材料可用于光纖化學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，量子點等。通常，這些材料在被周圍環(huán)境（目標分析人員）刺激時可逆地改變其形狀/體積，然后導致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，實現光纖的傳感功能。目前，各種光纖化學傳感器和生物傳感器已被提出并證明。