1 概述
光纖(Optical Fiber) 是光導纖維的簡稱，20 世紀后半葉光纖及光纖通訊技術的發展是信息革命的重要標志之一。光纖作為光波的傳輸媒介，在通信領域中主要用于信息交換。但光纖本身屬于一種物理媒介，許多因素都可以改變它的幾何參數( 如尺寸、形狀) 和光學參數( 如折射率、模式)。和力求減少外部影響的光通訊應用不同，光纖傳感反而是故意增強和測量這些外部因素對光纖的影響。光纖傳感器是通過發送光纖脈沖將信息從一個地方傳送到另一個地方的方法。光形成電磁載波，被調制以攜帶信息。當需要高帶寬、長距離或抗電磁干擾的信號傳輸環境時，光纖要優于電纜。許多電信公司使用光纖傳輸電話信號、互聯網通信和有線電視信號。1976 年V. Vali 和R. W. Shorthill 首次報道并實驗驗證了光纖陀螺原理，他們使用多匝光纖環路來增強轉動探測的靈敏度。經過三十多年的發展，光纖陀螺在研究方面取得了較大進展，一些中低精度的光纖陀螺也已經實現了產業化，并在需要高慣性導航系統的飛機、艦船、導彈等多個領域內應用。1978 年，加拿大渥太華通信研究中心的Hill 等人在實驗室進行光纖非線性效應研究時，采用駐波法刻寫出了世界上第一根光纖光柵——光纖布拉格光柵(FBG)。光纖光柵傳感技術具有噪
聲低、調制信號穩定、測量準確性高以及抗干擾能力強等自身特有的優點。2012 年，分布式光纖傳感技術得到高速發展，基于布里淵散射的光纖分布式傳感技術：將連續的探測光和脈沖的泵浦光分別從光纖的兩端注入，兩束光的頻差等于布里淵頻移，當受到溫度影響時，布里淵頻移將發生改變，通過測量光強變化可獲取溫度值。此技術測量精度高，能進行長距離測量，受到廣泛關注與研究。
2 光纖基礎
2.1 光纖結構
光纖由兩層圓柱狀介質構成，內層為纖芯，外層為包層; 纖芯的折射率比包層的折射率稍大，這樣利用全反射的原理把光約束在界面內并沿著光纖軸線傳播。單模光纖和多模光纖的主要差別是纖芯的尺寸、纖芯與包層的折射率差值。
2.2 光纖傳光原理
根據幾何光學理論, 當光線以某一較小的入射角θ1, 由折射率較大的光密物質射向折射率較小的光疏物質時, 一部分入射光以折射角θ2 折射入光疏物質, 其余部分以θ1 角度反射回光密物質, 根據光的折射定律。利用光的全反射原理，只要使射入光纖端面的光線與光軸的夾角小于一定值，使得光纖中的光線發生全反射時，則光線射不出光纖的纖芯( 纖芯折射率> 包層折射率)。光線在纖芯和包層的界面上不斷地發生全反射，經過若干次的全反射，光就能從光纖的一端以光速傳播到另一端，這就是光纖導光的基本原理。
3 光纖傳感器的原理
光纖傳感器由光源、入射光纖、出射光纖、光調制器、光探測器及解調器組成。其基本原理是將光源的光經入射光纖送入調制區，光在調制區內與外界被測參數相互作用，使光的光學性質( 如強度、波長、頻率、相位、偏振態等) 發生化學變化而成為被調制的信號光，再經出射光纖送入光探測器、解調器而獲得被測參數。
4 光纖傳感器的發展
光纖傳感器發展較為曲折，1975 年軍用及工業應用開發，光纖陀螺概念提出，光時域反射計提出。1977 年美國FOSS 計劃，第一只光纖光柵制造成功。1987 年光子晶體光纖概念出現，第一代工業設備制造成功。1995 年石油和天然氣首次實地實驗。2005 年全光纖分布式系統出現。近年來，光纖傳感在機械、電子儀器儀表、航天航空等領域的生產過程自動控制、在線檢測、故障診斷等方面，得到了卓有成效的發展和推廣。
4.1 干涉型光纖傳感器
當環境介質的折射率發生變化( 如振動或溫度變化等引起)，傳感光纖經過此處時的光波相位會發生變化。對傳感光纖中的相干光進行相位調制，檢測段處就可以觀察到外界環境變化帶來的干涉結果的變化，這就是干涉型光纖傳感器的工作原理。
4.2 光纖SPR 傳感器
光纖表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance,SPR) 傳感器是一種將光纖作為激發SPR效應基體的新型傳感器。為保證SPR 效應的產生，無論采用哪種方式，都需要去除其部分包層，在纖芯表面鍍上金屬薄膜。利用光在纖芯一包層界面發生全內反射時產生的SPR效應，通過傳輸損耗譜的峰值變化來分析待測樣品的參數變化。表面等離子體共振（SPR）是由入射光刺激的負介電常數材料和正介電常數材料之間的界面處的傳導電子的共振振蕩。當入射光子的頻率與表面電子的固有頻率相對于正核的恢復力振蕩時，建立共振條件。亞波長尺度納米結構中的SPR 可以是極性的或等離子體的。
5 光纖傳感器的應用
5.1 土木工程方面
城市建設中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應用。能有效實現高速傳輸信息化數據, 根據實際的工作需求進行通訊建設, 不同的參建人員能夠避免重復施工, 使人力、物力、財力損耗減少。
5.2 電力系統方面
在電力系統，需要測定溫度、電流等參數，如對高壓變壓器和大型電機的定子, 轉子內的溫度檢測等，由于電類傳感器易受強電磁場的干擾，無法在這些場合中使用，只能用光纖傳感器。
5.3 生物醫學方面
光纖傳感器有不受射頻和微波的干擾，絕緣性好等優點，同時對生物體有著良好的親和性，因此光纖溫度、壓力傳感器被應用于生物醫學等領域的PH 值測量、血液流速測量、醫用圖像傳輸等方面。光纖傳感器醫學監控和數據采集（SCADA）是一種控制系統，采用計算機、網絡數據通信和圖形用戶界面進行高級過程監控管理。
參考文獻
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