什么是光纤传感器

光纤传感技术利用光在光纤中传播时的物理特性来检测温度、声音、振动和应变的变化。光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置，由放大器（控制中心）及光纤构成。光纤传感技术的优点是成本低，光纤和外部传感器之间不需要离散接口。

光纤传感器的应用场景

（一）电信光缆

（二）基础设施检测传感：管道、桥梁

（三）火灾探测

（四）SHM（结构健康检测）

（五）石油与天然气

（六）电力与公用事业

（七）安全与安保

（八）工业

（九）土木工程

（十）光网络传感：保护、检查或监控光纤网络

（十一）运输

（十二）其他

光纤传感器类型

光纤传感器分为点传感器、准分布式传感器和分布式光纤传感器。

（一）点传感器

在点传感器中，每个传感器都是离散的，必须单独回程，因此点传感器适用于较短长度的部署，同时基于光纤布拉格光栅（FBG）点传感器可以在具有高分辨率和灵敏度的FBG的特定位置测量参数。

（二）准分布式传感器

准分布式传感器使用多个嵌入光纤的FBG，通过修改光纤芯的折射率，使得某些波长的光能够通过，而其他波长的光反射回光源。每个FBG都可以反射特定的波长，从而使每个FBG都可以沿光纤路径识别。准分布式传感在整个光缆上并不敏感，但是在各个局部点极为敏感。

（三）分布式光纤传感器

分布式光纤传感器（DFOS）是一种能够沿整条光纤光缆进行连续测量的技术，它具有以下特点：传感元件、仅针对光纤、灵敏度高、抗电磁干扰以及测量范围大。DFOS应用类型包括分布式温度传感（DTS）、分布式声学传感（DAS）和分布式应变传感（DSS）。DTS是将光纤本身作为传感原件来测量整条光纤光缆的温度分布，DTS代表的是一种在长距离内获得准确和高分辨率温度测量的经济有效的办法。DAS使用光纤来检测声学振动。DSS是沿光纤传感器光缆提供空间分辨率的延长率曲线，通过在资产横截面的不同位置组合多条传感器光缆，DSS用于计算资产（被测设备）的延长率（应变）、形状（弯曲半径和弯曲方向）、扭曲度等。

光纤传感器的工作原理

光纤传感器的原理是光在光纤中传播时遇到不均匀介质会被散射，一部分的散射光会返回发射点从而被发射点的分析仪接收。这些返回的光会发生相位偏移等变化，分析仪通过分析这些变化就可以分析出光纤所测量的应变、温度、声音等。

（一）光时域反射仪 (OTDR)原理

在OTDR原理中，固态或半导体激光器产生激光脉冲并发送到光纤中，通过分析反向散射光以进行温度监控，从反向散射光返回检测单元的时间起，就可以定位温度发生变化的位置。

（二）光频域反射仪 (OFDR)原理

OFDR原理提供了有关局部温度特征的信息，仅当信号在频率函数中反向散射时，此信息才可用，同时该原则允许有效利用可用带宽，此外它还可以在光纤中以最大更新速率实现分布式传感。

光纤传感的散射方法

（一）拉曼散射效应

拉曼散射效应适用于DTS，该效应在频率和能量上与入射辐射的频率和能量有一定差异，差异的变化量取决于分子散射能量和弛豫时在分子中获得或损失的能量。

（二）瑞利散射效应

光子与光纤内的粒子接触后随机散射的现象称为瑞利散射效应，瑞利散射效应用于DAS。

（三）布里渊散射效应

布里渊散射效应描述了电磁场（光子）与光纤特征密度变化的相互作用，布里渊散射用于DSS。DSS与布里渊散射分析仪结合，其频率变化与应变变化为线性关系，比较方便读取，可以监测堤坝水位、水位变化，防止堤坝渗水。

（四）光纤布拉格光栅

光纤布拉格光栅（FBG）是光纤芯内的微结构，包括对底层玻璃材料的折射率进行周期性调制，如果核心内引导的宽带光照射到这个周期性微结构上，一个特定的波长会被反射，而其他所有的引导宽带光都可以不受阻碍地通过，FBG具有作为应变和温度传感器的独特特性。

光纤传感光缆

光纤传感器光缆可用于数据传输、温度测量、声音、振动和应变。光纤传感器光缆可用于单模（SM）和多模（MM）光纤或者两者的组合。对于MM光纤，选择直径为50µm或62.5µm的纤芯，与SM光纤相比这会使得更多的光在纤芯中传播。目前，在大多数情况下50µm纤芯优于62.5µm，并且已成为MM光纤的既定标准。除此之外，MM纤维的横截面具有渐变指数（GI），这意味着折射率在包层和纤芯之间的过度是逐渐的，这与阶跃折射率光纤相反。在突变光纤中折射率从纤芯到包层急剧下降（主要用于SM光纤）。SM光纤的纤芯直径为9µm，通过只允许光以一种模式传播将模式色散最小化。MM光纤用于DTS，SM光纤用于DAS。光纤传感器光缆的主要特点是能够对事件、温度、应变、振动和声学测量进行精确定位，不受电磁干扰（EMI）的影响，适用于爆炸性危险区域，以及小型、灵活且纯被动传感器元件。

小结

光纤传感器有多个优点，包括高抗干扰性、长期稳定性、耐用性、轻巧紧凑的外形、本质安全、低成本、实时且多点报警报告、易于部署、无需维护以及宽带宽，并且光纤传感广泛运用于不同领域。