什么是传感技术？
相信大家对“物联网”的概念不算陌生，物联网技术已经广泛应用在我们的生活中，大到智能城市、智慧交通，小到智能家居，物联网技术将人与物、物与物相连，而实现万物互联的关键技术之一就是传感技术。
传感器，英文称为Sensor或Transducer，它的功能是将一种能量转化为另一种能量。传感器将压力、温度等无法直接在通信系统中传递的物理、化学信息转化为电或光等能在通信器件中传输的信息，以达到信息传输的目的。当下，传感技术与光纤通信技术结合得到的光纤传感技术以其区别于电传感技术的独特优势逐渐引起人们的关注。
图1 光学超声麦克风
光纤传感技术的基本原理
光纤传感技术是二十世纪八十年代伴随着光导纤维及光纤通讯技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为媒介、感知和传输外界信号的新型传感技术。
光纤的基本结构如图2所示。光是电磁波，所以光在光纤中的传输可用麦克斯韦（Maxwell）波动方程来分析。当光纤的断面尺寸比波长大得多时，可用射线光学的概念来处理。由于纤芯的折射率大于包层的折射率，因此入射角大于临界角时，光无法折射到包层中去，从而实现全反射。这就是光在光纤中传输的基本原理。
图2 光纤的基本结构
光纤传感器的工作原理是用被测的物理量调制传输光波的某一参数，使之随其变化，然后对已调制的光信号进行检测,从而得到被测量。因此，光调制技术是光纤传感器的关键技术。
将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，改变光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等），将性质改变后的光经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。
图3 光纤传感技术的部分优点
光纤传感器的应用
先进的光纤传感器的灵敏度比传统的电传感器高几个数量级，可以测量的物理量已达70多种，在日常生活中有广泛的应用范围，几乎涉及国民经济和国防上所有重要领域和人们的日常生活，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，具有很大的市场需求。如图4展示了光纤传感器在部分领域中的应用。
图4 光纤传感器在不同领域的典型应用
1、光纤传感器在石油工业中的应用
在石油测井技术中，可以利用光纤传感器实现井下石油流量、温度、压力和含水率等物理量的测量。较成熟的应用是采用非本征光纤F-P腔传感器测量井下的压力和温度。
图5 光纤传感器在石油测井中的应用
2、光纤温度传感器在冶炼锅炉中的应用
煤炭燃烧过程中的高温和烟气腐蚀对锅炉的稳定性和寿命造成了严重影响，因此需要使用高精度的温度传感器来监测锅炉的工作状态。如图6中的基于蓝宝石光纤光栅的多点温度传感器（SFBG）可以同时测量多个位置的温度，并具有高精度和抗干扰能力。
图6 光纤传感器在燃煤锅炉中使用
(左)示意图；(右)实物图
图7 光纤温度传感器
3、光纤传感器在航海中的应用
在波浪中航行时，船体受到复杂的载荷会导致船体局部变形，而船体的变形也会影响流场。光纤分布式传感器能够监测船体在波浪中的载荷分布和结构响应，从而达到监测船体液位，保证航行安全的目的。
图8 光纤分布式传感器在船体安装的过程
结语：亟待解决的问题
虽然光纤传感器技术在实际检测中取得了一些应用，但仍存在一些问题，如光纤埋入结构的工艺问题，虽然可以通过安装方式得到改善，但同时也导致了应变要先经过金属传递，然后再由光纤间接感应到应变，因此需要通过实验修正才能够进行准确测量。
另外，光纤传感器的输出信号会受到光源波动、光纤传输损耗变化等因素的影响，这些因素都会降低光纤传感器测量的准确性。再者目前光纤传感器实用性还有待开发，同时其制作成本相当昂贵。目前光纤传感器很大一部分产品还在实验室阶段，因此需要将实验结果尽快投入到使用中去。
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文章来源：成电研究生科学普及
