光纖傳感器的基本工作原理是將來(lái)自光源的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)源，在經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。

　　光纖傳感器原理

　　（1）物性型光纖傳感器原理，物性型光纖傳感器是利用光纖對(duì)環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號(hào)。其工作原理基于光纖的光調(diào)制效應(yīng)，即光纖在外界環(huán)境因素，如溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等等改變時(shí)，其傳光特性，如相位與光強(qiáng)，會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。

　　因此，如果能測(cè)出通過(guò)光纖的光相位、光強(qiáng)變化，就可以知道被測(cè)物理量的變化。這類傳感器又被稱為敏感元件型或功能型光纖傳感器。激光器的點(diǎn)光源光束擴(kuò)散為平行波，經(jīng)分光器分為兩路，一為基準(zhǔn)光路，另一為測(cè)量光路。外界參數(shù)（溫度、壓力、振動(dòng)等）引起光纖長(zhǎng)度的變化和相位的光相位變化，從而產(chǎn)生不同數(shù)量的干涉條紋，對(duì)它的模向移動(dòng)進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可測(cè)量溫度或壓等。

　　（2）結(jié)構(gòu)型光纖傳感器原理，結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是由光檢測(cè)元件（敏感元件）與光纖傳輸回路及測(cè)量電路所組成的測(cè)量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。

　　光纖傳感器的特點(diǎn)

　　1、靈敏度較高；

　　2、幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；

　　3、可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件；

　　4、可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境；

　　5、而且具有與光纖遙測(cè)技術(shù)的內(nèi)在相容性。

　　光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)是與傳統(tǒng)的各類傳感器相比，光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)，具有光纖及光學(xué)測(cè)量的特點(diǎn)，有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。電絕緣性能好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，非侵入性，高靈敏度，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控，耐腐蝕，防爆，光路有可撓曲性，便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)接。

　　傳感器朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)或者對(duì)人有害的地區(qū)，如核輻射區(qū)），起到人的耳目作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

　　光纖傳感器的應(yīng)用實(shí)例

　　正是由于光纖傳感器擁有如此之多的優(yōu)點(diǎn)，使得其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，涉及石油化工、電力、醫(yī)學(xué)、土木工程等諸多領(lǐng)域。

　　一、光纖傳感器在石油化工系統(tǒng)的應(yīng)用

　　在石油化工系統(tǒng)中，由于井下環(huán)境具有高溫、高壓、化學(xué)腐蝕以及電磁干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，使得常規(guī)傳感器難以在井下很好地發(fā)揮作用。然而光纖本身不帶電，體小質(zhì)輕，易彎曲，抗電磁干擾、抗輻射性能好。特別適合于易燃易爆、空間受?chē)?yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用，因此光纖傳感器在油井參數(shù)測(cè)量中發(fā)揮著不可替代的作用，它將成為可應(yīng)用于油氣勘探及石油測(cè)井等領(lǐng)域的一項(xiàng)具有廣闊市場(chǎng)前景的新技術(shù)。

　　1.1、光纖傳感器在油氣勘探中的應(yīng)用

　　光纖傳感器由于其抗高溫能力、多通絡(luò)、分布式的感應(yīng)能力，以及只需要較小的空間即可滿足其使用條件的特點(diǎn)，使得在勘探鉆井方面尤其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

　　應(yīng)用光纖傳感器可以制成井下分光計(jì)，分布式溫度傳感器及光纖壓力傳感器等適用于這種特殊作業(yè)要求的產(chǎn)品。

　　（1）井下分光計(jì)

　　流體分析儀如圖1所示，可用于了解初期開(kāi)發(fā)過(guò)程中的原油組成成分。它由兩個(gè)傳感器合成：一個(gè)是吸收光譜分光纖，另一個(gè)是熒光和氣體探測(cè)器。井下流體通過(guò)地層探針被引入出油管，光學(xué)傳感器用于分析出油管內(nèi)的流體。流體分析分光計(jì)則提供了原位井下流體分析，并對(duì)地層流體的評(píng)估加以改進(jìn)。

　　（2）分布式溫度傳感器

　　光纖分布式溫度傳感器是井下應(yīng)用最為流行的光纖傳感器。應(yīng)用實(shí)例是監(jiān)測(cè)注水蒸氣重油開(kāi)采系統(tǒng)。蒸汽被注入重油層用以降低油的黏度，使稠油能夠開(kāi)采出來(lái)。井下蒸汽溫度可高達(dá)250℃以上。

　　流體分析儀構(gòu)造

　　圖1流體分析儀構(gòu)造

　　（3）壓力傳感器

　　側(cè)孔光纖式壓力傳感器目前正在研發(fā)中，其主要致力于超高溫和井下壓力監(jiān)測(cè)任務(wù)。

　　目前基于光纖傳感器已經(jīng)出現(xiàn)其他商業(yè)產(chǎn)品，例如，用于多相流測(cè)量和分布式動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量的光纖探針。其高可靠性和高效低耗的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是光纖產(chǎn)品在油田應(yīng)用上取得成功的關(guān)鍵因素。

　　1.2、光纖傳感器在石油測(cè)井中的應(yīng)用

　　石油測(cè)井是石油工業(yè)最基本和最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，壓力、溫度、流量等參量是油氣井下的重要物理量，通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)這些量進(jìn)行長(zhǎng)期的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)獲取油氣井下信息，對(duì)石油工業(yè)具有極為重要的意義。

　　光纖傳感器對(duì)電磁干擾不敏感而且能承受極端條件，包括高溫、高壓以及強(qiáng)烈的沖擊與振動(dòng)，可以高精度地測(cè)量井筒和井場(chǎng)環(huán)境參數(shù)，同時(shí)，光纖傳感器具有分布式測(cè)量能力。可以測(cè)量被測(cè)量的空間分布，給出剖面信息。而且，光纖傳感器橫截面積小，外形短，在井筒中占據(jù)空間極小。而這些特性都是傳統(tǒng)的電子傳感器在井下的惡劣環(huán)境下所不具備的。

　　利用光纖傳感器可以進(jìn)行井下流量測(cè)量、溫度測(cè)量、壓力測(cè)量、含水（氣）測(cè)量、密度測(cè)量、聲波測(cè)量等。

　　（1）流量測(cè)量

　　由于光的強(qiáng)度、相位、頻率、波長(zhǎng)等特性在光纖傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)受到流量的調(diào)制，利用一定的光檢測(cè)方法把調(diào)制量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，就可以求出流體的流量，這就是光纖流量計(jì)的工作原理。

　　（2）溫度及壓力測(cè)量

　　分布式光纖測(cè)量系統(tǒng)（DTS）利用光纖后向拉曼散射的溫度效應(yīng)，可以對(duì)光纖所在的溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，EFPI型（非本征型F-P干涉）、FBG型光纖傳感器為波長(zhǎng)編碼型傳感器，具有靈敏度高、可同時(shí)測(cè)量壓力、溫度、應(yīng)力等多個(gè)參量的特點(diǎn)。

　　光纖熱色溫度傳感器是由白光源、多模光纖組成的反射式溫度傳感器;光纖輻射式溫度傳感器利用黑體輻射能量，其非接觸，可測(cè)瞬問(wèn)溫度，響應(yīng)速度快，不需要熱平衡時(shí)間，可用于高溫測(cè)量;半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器利用其半導(dǎo)體材料的吸收邊波長(zhǎng)隨著溫度的增加而向較長(zhǎng)波長(zhǎng)位移的特性，選擇適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體發(fā)光二極管，使其光譜范圍正好落在吸收邊的區(qū)域，這樣透過(guò)半導(dǎo)體的光強(qiáng)就隨著溫度的增加而減少。

　　（3）含水（氣）率及密度測(cè)量

　　U型光纖的傳輸功率隨外界介質(zhì)折射率變化而變化，光波作為信息載體，與混合流體電阻率、流型及水質(zhì)無(wú)關(guān)，基于該原理的光纖持率/密度傳感器從本質(zhì)上解決了現(xiàn)有持率存在的高含水無(wú)分辨率和放射性物質(zhì)的應(yīng)用問(wèn)題，對(duì)于多相流體油、水、氣的折射率各不相同，因而混合流體的折射率會(huì)隨著油、水、氣比例的改變而改變。因此這種折射率調(diào)制型光纖傳感器不僅能測(cè)流體持率，可同時(shí)測(cè)流體密度，其精度較高。

　　（4）聲波測(cè)量

　　地震波在不同的介質(zhì)中傳播，接收到的地震波波形就會(huì)不同，根據(jù)不同的地震波形態(tài)，可識(shí)別地層沉積序列和沉積構(gòu)造，為儲(chǔ)層定位、判斷竄槽、檢測(cè)套管破損及斷裂、射孔層位及確定流體流量等。VSP地震測(cè)井，就是把檢波器放人井中，通過(guò)地面擊發(fā)的地震波或利用井中流體流動(dòng)等產(chǎn)生的微震動(dòng)，由井中的檢波器接收地震信號(hào)。永久井下光纖三分量地震測(cè)量具有高的靈敏度和方向性，能產(chǎn)生高精度的空間圖像，不僅能提供近井眼圖像，而且能提供井眼周?chē)貙訄D像，測(cè)量范圍能達(dá)數(shù)千公里。它能經(jīng)受惡劣環(huán)境條件，且沒(méi)有可移動(dòng)部件和井下電子器件，能經(jīng)受強(qiáng)的沖擊和震動(dòng)，可安裝在復(fù)雜的完井管柱極小的空間

　　二、光纖傳感器在電力系統(tǒng)的應(yīng)用

　　電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布面廣，在高壓電力線和電力通信網(wǎng)絡(luò)上存在著各種各樣的隱患，因此，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各種線路、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。

　　1、在高壓電纜溫度和應(yīng)變測(cè)量中的應(yīng)用

　　目前，國(guó)外（主要是英國(guó)、 日本 等）已利用激光喇曼光譜效應(yīng)研制出分布式光纖溫度傳感器產(chǎn)品。而國(guó)內(nèi)也在積極地開(kāi)展這方面的研究工作。國(guó)內(nèi)把分布式光纖溫度傳感技術(shù)引入電力系統(tǒng)電纜測(cè)溫的研究工作只是剛剛開(kāi)始。

　　聯(lián)系到我國(guó)南方地區(qū)去年所遭受到的雪災(zāi)來(lái)考慮，如果能在高壓電纜上并行地鋪設(shè)傳感光纜，對(duì)電力系統(tǒng)電纜、鐵塔等設(shè)施的溫度、壓力等參量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，就能夠做到及時(shí)排險(xiǎn)，從而盡可能減少經(jīng)濟(jì)損失。可見(jiàn)，光纖傳感器在電力系統(tǒng)將具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　在理想情況下，光纖應(yīng)被置于盡可能靠近電纜纜芯的位置，以更精確地測(cè)量電纜的實(shí)際溫度。對(duì)于直埋動(dòng)力電纜來(lái)說(shuō)，表貼式光纖雖然不能準(zhǔn)確地反映電纜負(fù)載的變化，但是對(duì)電纜埋設(shè)處土壤熱阻率的變化比較敏感，而且能夠減少光纖的安裝成本。

　　2、在電功率傳感器中的應(yīng)用

　　電功率是反映電力系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)幕倦娏浚姽β蕼y(cè)量是電力計(jì)量的一項(xiàng)重要內(nèi)容。隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的電磁測(cè)量方法日益顯露出其固有的局限性，如電絕緣、電磁干擾、磁飽和等問(wèn)題，因而人們一直在致力于尋找測(cè)量電功率的新方法。可以說(shuō)光纖傳感器的出現(xiàn)給人們解決這一問(wèn)題帶來(lái)了福音。

　　光纖電功率傳感器的主要特點(diǎn)是：由于電功率傳感同時(shí)涉及電壓、電流2個(gè)電量，因而通常需要同時(shí)考慮電光、磁光效應(yīng)，同時(shí)利用2種傳感介質(zhì)或1種多功能介質(zhì)作為敏感元件，這使得光纖電功率傳感頭的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜;光纖電功率傳感器的光傳感信號(hào)中有時(shí)同時(shí)包含電壓、電流信號(hào)，因此其信號(hào)檢測(cè)與處理方法也將比較復(fù)雜。

　　3、在電力系統(tǒng)光纜監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

　　電力系統(tǒng)光纜種類繁多，加之我國(guó)地域廣闊，各地環(huán)境差異很大，所以光纜的環(huán)境也很復(fù)雜，其中溫度和應(yīng)力是影響光纜性能的主要環(huán)境因素。因此，在監(jiān)測(cè)光纖斷點(diǎn)的同時(shí)也對(duì)光纜所處溫度和應(yīng)力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可見(jiàn)對(duì)光纜的故障預(yù)警及維護(hù)意義深遠(yuǎn)。

　　通過(guò)測(cè)量沿光纖長(zhǎng)度方向的布里淵散射光的頻移和強(qiáng)度，可得到光纖的溫度和應(yīng)變信息，且傳感距離較遠(yuǎn)，所以有深遠(yuǎn)的工程研究?jī)r(jià)值。

　　基于布里淵光時(shí)域反射（BOTDR）的分布式光纖傳感系統(tǒng)，采用相干檢測(cè)技術(shù)，系統(tǒng)原理如圖1所示。

　　基于BOTDR傳感系統(tǒng)原理

　　圖1基于BOTDR傳感系統(tǒng)原理

　　BOTDR光纖傳感系統(tǒng)測(cè)量的是光纖的自發(fā)布里淵散射信號(hào)，其信號(hào)強(qiáng)度非常微弱，但可以采用相干檢測(cè)技術(shù)提高系統(tǒng)信噪比。這種方案可單光源、單端工作，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，而且可同時(shí)監(jiān)測(cè)光纖斷點(diǎn)、損耗、溫度和應(yīng)變。

　　三、傳光光纖傳感器在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

　　在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用醫(yī)用光纖傳感器目前主要是傳光型的。以其小巧、絕緣、不受射頻和微波干擾、測(cè)量精度高及與生物體親合性好等優(yōu)點(diǎn)備受重視。本文將主要介紹傳光光纖在壓力測(cè)量、血流速度測(cè)量、pH值測(cè)量三個(gè)方面的應(yīng)用。此外，它還可以應(yīng)用于測(cè)量溫度和醫(yī)用圖像傳輸上面。

　　1、壓力測(cè)量

　　目前臨床上應(yīng)用的壓力傳感器主要用來(lái)測(cè)量血管內(nèi)的血壓、顱內(nèi)壓、心內(nèi)壓、膀胱和尿道壓力等。用來(lái)測(cè)量血壓的壓力傳感器示意見(jiàn)圖1。其中對(duì)壓力敏感的部分是在探針導(dǎo)管末端側(cè)壁上的一塊防水薄膜，一面帶有懸臂的微型反射鏡與薄膜相連，反射鏡對(duì)面是一束光纖，用來(lái)傳遞入射光到反射鏡，同時(shí)也將反射光傳送出來(lái)。當(dāng)薄膜上有壓力作用時(shí)。薄膜發(fā)生形變且能帶動(dòng)懸臂使反射鏡角度發(fā)生改變，從光纖傳來(lái)的光束照射到反光鏡上，再反射到光纖的端點(diǎn)。由于反射光的方向隨反射鏡角度的變化而改變，因此光纖接收到的反射光的強(qiáng)度也隨之變化。這一變化通過(guò)光纖傳到另一端的光電探測(cè)器變成電信號(hào)，這樣通過(guò)電壓的變化便可知探針處的壓力大小。

　　圖1光纖體壓計(jì)探針

　　2、血流速度測(cè)量

　　多普勒型光纖速度傳感器測(cè)量皮下組織血流速度的示意見(jiàn)圖2此裝置利用了光纖的端面反射現(xiàn)象，測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

　　光纖體壓計(jì)探針

　　圖2光纖體壓計(jì)探針

　　發(fā)光頻率為f的激光經(jīng)透鏡，光纖被送到表皮組織。對(duì)于不動(dòng)的組織，例如血管壁，所反射的光不產(chǎn)生頻移;而對(duì)于皮層毛細(xì)血管里流速為的紅細(xì)胞，反射光要產(chǎn)生頻移，其頻率變化為△f;發(fā)生頻移的反射光強(qiáng)度與紅細(xì)胞的濃度成比例，頻率的變化值可與紅細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)速度成正比。發(fā)射光經(jīng)光纖收集后，先在光檢測(cè)器上進(jìn)行混頻，然后進(jìn)人信號(hào)處理儀，從而得到紅細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)速度和濃度。

　　3、pH值測(cè)量

　　用來(lái)測(cè)定活體組織和血液值pH光纖光譜傳感器示意圖，如圖3所示。其工作原理是利用發(fā)射光、透射光的強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的分布光譜來(lái)進(jìn)行測(cè)量。這種傳感器將兩根光纖插入可透過(guò)離子的纖維素膜盒中。膜盒內(nèi)裝有試劑，當(dāng)把針頭插入組織或血管后，體液滲入試劑，導(dǎo)致試劑吸收某種波長(zhǎng)的光。用光譜分析儀測(cè)出此種變化，即可求得血液或組織的pH值。

　　測(cè)定pH值的光纖光譜儀

　　圖3測(cè)定pH值的光纖光譜儀