1 概述
光纤(Optical Fiber) 是光导纤维的简称，20 世纪后半叶光纤及光纤通讯技术的发展是信息革命的重要标志之一。光纤作为光波的传输媒介，在通信领域中主要用于信息交换。但光纤本身属于一种物理媒介，许多因素都可以改变它的几何参数( 如尺寸、形状) 和光学参数( 如折射率、模式)。和力求减少外部影响的光通讯应用不同，光纤传感反而是故意增强和测量这些外部因素对光纤的影响。光纤传感器是通过发送光纤脉冲将信息从一个地方传送到另一个地方的方法。光形成电磁载波，被调制以携带信息。当需要高带宽、长距离或抗电磁干扰的信号传输环境时，光纤要优于电缆。许多电信公司使用光纤传输电话信号、互联网通信和有线电视信号。1976 年V. Vali 和R. W. Shorthill 首次报道并实验验证了光纤陀螺原理，他们使用多匝光纤环路来增强转动探测的灵敏度。经过三十多年的发展，光纤陀螺在研究方面取得了较大进展，一些中低精度的光纤陀螺也已经实现了产业化，并在需要高惯性导航系统的飞机、舰船、导弹等多个领域内应用。1978 年，加拿大渥太华通信研究中心的Hill 等人在实验室进行光纤非线性效应研究时，采用驻波法刻写出了世界上第一根光纤光栅——光纤布拉格光栅(FBG)。光纤光栅传感技术具有噪
声低、调制信号稳定、测量准确性高以及抗干扰能力强等自身特有的优点。2012 年，分布式光纤传感技术得到高速发展，基于布里渊散射的光纤分布式传感技术：将连续的探测光和脉冲的泵浦光分别从光纤的两端注入，两束光的频差等于布里渊频移，当受到温度影响时，布里渊频移将发生改变，通过测量光强变化可获取温度值。此技术测量精度高，能进行长距离测量，受到广泛关注与研究。
2 光纤基础
2.1 光纤结构
光纤由两层圆柱状介质构成，内层为纤芯，外层为包层; 纤芯的折射率比包层的折射率稍大，这样利用全反射的原理把光约束在界面内并沿着光纤轴线传播。单模光纤和多模光纤的主要差别是纤芯的尺寸、纤芯与包层的折射率差值。
2.2 光纤传光原理
根据几何光学理论, 当光线以某一较小的入射角θ1, 由折射率较大的光密物质射向折射率较小的光疏物质时, 一部分入射光以折射角θ2 折射入光疏物质, 其余部分以θ1 角度反射回光密物质, 根据光的折射定律。利用光的全反射原理，只要使射入光纤端面的光线与光轴的夹角小于一定值，使得光纤中的光线发生全反射时，则光线射不出光纤的纤芯( 纤芯折射率> 包层折射率)。光线在纤芯和包层的界面上不断地发生全反射，经过若干次的全反射，光就能从光纤的一端以光速传播到另一端，这就是光纤导光的基本原理。
3 光纤传感器的原理
光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器及解调器组成。其基本原理是将光源的光经入射光纤送入调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质( 如强度、波长、频率、相位、偏振态等) 发生化学变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。
4 光纤传感器的发展
光纤传感器发展较为曲折，1975 年军用及工业应用开发，光纤陀螺概念提出，光时域反射计提出。1977 年美国FOSS 计划，第一只光纤光栅制造成功。1987 年光子晶体光纤概念出现，第一代工业设备制造成功。1995 年石油和天然气首次实地实验。2005 年全光纤分布式系统出现。近年来，光纤传感在机械、电子仪器仪表、航天航空等领域的生产过程自动控制、在线检测、故障诊断等方面，得到了卓有成效的发展和推广。
4.1 干涉型光纤传感器
当环境介质的折射率发生变化( 如振动或温度变化等引起)，传感光纤经过此处时的光波相位会发生变化。对传感光纤中的相干光进行相位调制，检测段处就可以观察到外界环境变化带来的干涉结果的变化，这就是干涉型光纤传感器的工作原理。
4.2 光纤SPR 传感器
光纤表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR) 传感器是一种将光纤作为激发SPR效应基体的新型传感器。为保证SPR 效应的产生，无论采用哪种方式，都需要去除其部分包层，在纤芯表面镀上金属薄膜。利用光在纤芯一包层界面发生全内反射时产生的SPR效应，通过传输损耗谱的峰值变化来分析待测样品的参数变化。表面等离子体共振（SPR）是由入射光刺激的负介电常数材料和正介电常数材料之间的界面处的传导电子的共振振荡。当入射光子的频率与表面电子的固有频率相对于正核的恢复力振荡时，建立共振条件。亚波长尺度纳米结构中的SPR 可以是极性的或等离子体的。
5 光纤传感器的应用
5.1 土木工程方面
城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。能有效实现高速传输信息化数据, 根据实际的工作需求进行通讯建设, 不同的参建人员能够避免重复施工, 使人力、物力、财力损耗减少。
5.2 电力系统方面
在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子, 转子内的温度检测等，由于电类传感器易受强电磁场的干扰，无法在这些场合中使用，只能用光纤传感器。
5.3 生物医学方面
光纤传感器有不受射频和微波的干扰，绝缘性好等优点，同时对生物体有着良好的亲和性，因此光纤温度、压力传感器被应用于生物医学等领域的PH 值测量、血液流速测量、医用图像传输等方面。光纤传感器医学监控和数据采集（SCADA）是一种控制系统，采用计算机、网络数据通信和图形用户界面进行高级过程监控管理。
参考文献
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