随着现代科学技术的发展，信息的获取变得越来越重要。传感器是感知、检测、监测和转换信息的重要技术手段。光纤传感器是一种集光学和电子学于一体的新型传感器。
光纤传感器是利用光纤的光传输特性，将被测光转换为光特性(强度、相位、偏振态、频率、波长)的变化的传感器。光源发出的光通过光纤送到调制器，光的光学性质(如光强、波长、频率、相位、偏斜度等。)待测参数与进入调制区的光相互作用后发生变化，称为调制信号光。通过光纤送到光电探测器后，解调后得到测量参数。
与以往的传感器不同，光纤传感器以光信号的形式取出被测信号的状态。光信号不仅可以被人直接感知，而且可以利用半导体二极管等小而简单的元件转换成光电和电光，很容易与一些电子组件匹配。此外，光纤不仅是一种敏感元件，还是一种优秀的低损耗传输线。因此，光纤传感器还可以用于传统传感器不适合的长距离测量。
光纤传感包括感知和传输外界信号(被测)两个功能。所谓感知，是指光波在光纤中传输的物理特性参数，如强度(功率)、波长、频率、相位、偏振态等，被外界信号按其变化规律改变。测量光学参数的变化就是感知外界信号的变化。这种感觉实质上是外部信号调制了在光纤中传播的光波。所谓传输，就是光纤将外部信号调制的光波传输到光电探测器进行探测，从光波中提取外部信号并根据需要对数据进行处理，即解调。
因此，光纤传感技术既包括调制技术，也包括解调技术，即外界信号(被测)如何调制光纤中光波参数的调制技术(或加载技术)和如何从调制光波中提取外界信号(被测)的解调技术(或检测技术)。
光纤传感器的基本原理
光纤是光纤的简称。光纤的主要成分是二氧化硅，由高折射率的纤芯、低折射率的包层和保护层组成。纤芯为直径约0.1 mm的细玻璃纤维，光被封闭在其中，沿轴向传播。光纤传感器的发现源于检测光纤外部扰动的实践。在实践中发现，当光纤受到外界环境的改变时，光纤内部传输的光波的参数会发生变化，而这些变化与外界因素有一定的规律，从而发展了光纤传感技术。
光纤对许多外界参数有一定的敏感作用。研究光纤传感的原理就是研究如何应用光纤的这些效应，研究光在调制区与外界被测参数的相互作用，实现对外界被测参数的“传输”和“感知”功能，这是光纤传感器的核心。
在光通信系统中，光纤被用作长距离传输光波信号的介质。显然，在这种应用中，光纤传输的光信号受外界干扰越少越好。然而，在实际的光传输过程中，光纤很容易受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电磁场等外界条件，会引起光纤光波参数如光强、相位、频率、偏振、波长等的变化。因此，人们发现如果能够测量光波参数的变化，就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。光纤传感技术是利用光纤对某些物理量的敏感性，将外界的物理量转换成可以直接测量的信号的技术。因为光纤不仅可以作为光波的传播介质，还因为其特性参数(振幅、相位、偏振态、波长等。)表征光波在光纤中传播时由于外部因素(例如温度、压力、应变、磁场、电场、位移、旋转等)而直接或间接变化。)，光纤也可以作为传感元件，检测各种物理量。
上图是光纤传感器的原理结构图。光纤传感器通常由光源、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成。光强度、波长、振幅、相位、偏振态、模式分布等参数在光纤传输中可能会受到外界影响而发生变化，特别是当温度、压力、加速度、电压、电流、位移、振动、旋转、弯曲、应变、化学量、生化量等影响光路时，这些参数会发生相应的变化。光纤传感器就是根据这些参数与外界因素的关系来检测相应的物理量。
光纤传感器的特性
与传统的传感器不同，光纤优异的物理、化学、机械和传输特性使得光纤传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、测量带宽宽等优点，并且检测电子器件可以远离传感器，可以组成传感网络。
先进的光纤传感器灵敏度比传统传感器高几个数量级，可以测量70多个物理量。综上所述，它有以下优点：
1、具有精度高、响应快、线性特性范围宽、重复性好、检测信号信噪比高等优点。由于光纤的大量生产和低廉的价格，它可以被广泛使用。
2、光纤采用电介质材料应时，传输光信号，因此具有良好的安全可靠性，抗电磁干扰能力强，能适应电力、石油、化工、冶金等易燃、易爆或有毒环境条件下工作。
3、具有较强的耐腐蚀性和耐污染性，可用于温差大的场所，具有优异的时间-时间老化特性，使用寿命长。
4、体积小，重量轻，安装方便，对被测对象的环境适应性强。
5、光纤是一种无源器件，独立性好，不会破坏被测状态。
6、测量对象范围广。目前有多种不同性能的光纤传感器来测量各种物理量、化学量和生物量，如温度、压力、位移、速度、液位、核辐射等。
7、便于多点复用，传输损耗低。适用于组建测量网络，实现多点实时智能遥测。
光纤传感器的分类及应用原理
根据调制区与光纤的关系，调制可分为三类：
透光光纤传感器
透光型光纤传感器又称为非功能型光纤传感器或强度调制型光纤传感器。光纤主要起到传输光波的作用。透光光纤
传感光纤传感器又称功能光纤传感器。光纤不仅能传输光，还能感知，也就是说，它还充当敏感元件。对于传感型光纤传感器来说，当光在光纤中传播时，被测物理量或外界因素作用在光纤上，改变了光纤中传输的光的振幅、相位、波长和偏振态。这个过程就是光调制，调制后的光通过光纤传输到光电探测器进行解调，然后转换成电信号输出。
传感光纤传感器的原理比透光光纤传感器复杂得多。它以对外界信息具有敏感性和检测能力的光纤(或特种光纤)为传感元件，集“传输”和“感觉”于一体的传感器。光纤不仅起着传输光的作用，而且利用光纤在外界因素(弯曲、相变)作用下的光强、相位、偏振态等光学特性的变化来实现“传输”和“传感”的功能。此外，传感器中的光纤是连续的。因为光纤是连续的，所以增加其长度可以提高灵敏度。最常用的传感光纤传感器是相位调制型光纤传感器或干涉型光纤传感器，即外界因素改变光纤中传输光的相位，进而改变发射光(干涉光)的强度，达到测量的目的。
常用的干涉型光纤传感器有迈克尔逊干涉型光纤传感器、马赫-曾德尔干涉型光纤传感器、法布里-珀罗(F-P)干涉型光纤传感器、萨格纳克干涉型光纤传感器、斐索干涉型光纤传感器等。干涉型光纤传感器是高精度光纤传感测量技术的最佳选择。
光纤传感器
拾光光纤传感器这种传感器以光纤为探头，接收被测物体辐射的光或被其反射、散射的光。典型的例子是光纤激光多普勒测速仪和辐射光纤温度传感器。
根据被测对象，光纤传感器可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤速度传感器等。
根据调制光波参数的不同，光纤传感器可分为光强调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器和波长调制型光纤传感器。
调幅传感光纤传感器
利用外界因素引起的光纤中光强的变化来检测物理量等各种参数的传感器称为调幅传感光纤传感器。改变光纤中光强的方法有很多，改变光纤的微弯状态就是其中之一。光纤微弯传感器利用光纤中的微弯损耗来检测外界物理量的变化。它利用多模光纤轻微弯曲时一部分纤芯模能量会转化为包层模能量的原理，通过测量包层模能量或纤芯模能量的变化来测量位移或振动。其原理图如图所示。
激光束经扩束聚焦后输入多模光纤。非导向模式由杂散模式过滤器移除，然后由变形器置换。当光纤的微弯程度不同时，转换成包层模的能量也发生变化。通过测微头将变形器调整到一定的恒定变形；待测的交变位移由压电陶瓷给出。实验表明，该器件的灵敏度为0.6 V/a(强烈依赖于多模光纤中导模的分布，越高阶模越容易转化为包层模，灵敏度越高)，相当于最小可测位移为0.01nm，动态范围有望超过100dB。
相位调制传感光纤传感器
通过利用由外部因素引起的光纤中光波的相位变化来检测诸如物理量的各种参数的传感器被称为相位调制传感光纤传感器。这种传感器主要用于制作干涉仪和光纤Sa
下图是光纤Sagnac干涉仪的示意图。用一根长度为L的光纤，绕成半径为r的光纤环，一束激光被分束器分成两束，分别从光纤的两个端面输入，再从另一个端面输出。两个输出光的叠加会产生干涉效应，干涉的强度会被光电接收器检测到。
1是激光；2是光探测器；3是光纤环。
偏振调制光纤传感器
1是激光；2是偏光镜；3是物镜；4是传输光纤；5是传感光纤；6是电流导体；
7是光检测器；8是偏振棱镜；9表示信号处理单元。
波长调制光纤传感器
利用外界因素引起的光纤中光波波长的变化来检测物理量等各种参数的传感器称为波长调制传感光纤传感器。光纤布拉格光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器。
根据被测对象，光纤传感器可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤速度传感器等。
光纤传感器技术的热点
目前，光纤传感器的研究热点集中在两大板块：光纤光栅(FBG和LPG)传感器和分布式光纤传感系统。
FBG光纤传感器自发明以来，经历了理论研究和实验论证阶段。目前，成熟的FBG制作技术可以形成小批量生产能力，研究的重点也转向解决高精度应用，提高解调和复用技术，降低成本。另一方面，由于光纤传感器具有集传输和传感介质于一体的特性，沿布设路径的所有光纤都可以成为敏感元件，因此分布式传感成为光纤传感器的固有优势。
光纤布拉格光栅
光纤布拉格光栅(FBG)于1978年问世。这种简单的本征传感器可以利用硅光纤的紫外敏感性写入纤芯。下图显示了光纤光栅的基本原理。
普通的FBG传感器可以通过测量布拉格波长的移动来检测被测物体。当宽光谱光源入射到光纤上时，光栅会反射以布拉格波长为中心波长的窄光谱分量。光纤光栅除了具有光纤传感器的所有优点外，还具有自校准和易于在同一根光纤中集成多个传感器的特点。
光栅传感器可以应用在很多领域，比如将分布式光纤光栅传感器嵌入材料中，形成智能材料，可以实时监测大型构件的载荷、应力、温度和振动；光栅还可以代替其他类型的光纤传感器用于化学、压力和加速度传感。
长周期光栅是指周期大于100mm的光栅，是继FBG之后光纤光栅传感器的又一重要分支。由于采用包层膜耦合的原理，具有灵敏度高、制作简单的优点。
光纤光栅的其他分支包括啁啾光栅、倾斜光栅等。
分布式光纤传感系统
在世界范围内，由于对工业建筑和工业设施的安全性和效率的要求越来越高，对集成安全检测系统的需求逐渐上升。连续、不间断、远距离测量、与被测介质亲和力强的分布式光纤传感系统似乎就是为此量身定做的。
通常有三种类型的分布式光纤传感系统：拉曼、布里渊和FBG。
拉曼分布式光纤传感系统是一种基于光纤拉曼散射效应的连续传感器，其工作原理如图6所示。已经报道了三种类型的传感系统的应用。其中拉曼分布式传感系统最为成熟，已经成功装载在A340运输机上。
FBG分布式传感系统在多点分布式测量应力方面具有独特的优势，可以同时完成温度和应力的双参数测量，为FBG的应用开辟了更加广阔的前景。
光纤传感器的应用技术类型
光纤传感器的应用和发展大致可以分为四大趋势
根据原理和应用的不同，光纤层析成像可以分为光学相干层析成像(OCT)和光学过程层析成像(OPT)。
光学层析成像技术起源于X射线层析成像分析(CT)。当X射线或光透过被测样品时，不同的样品材料具有不同的吸收特性，因此通过测量和分析穿过样品的X射线或光，按照预定的拓扑结构和设计求解，就可以得到所需的样品参数。
光纤相干层析成像(OCT)主要应用于生物、医学、化学分析等领域，如视网膜扫描、胃肠内窥镜和彩色多普勒血流成像。其工作原理基于光的相干检测原理，基本系统结构如图所示。
OCT提供了一种检测生物细胞和生物活性的有效方法，世界上许多国家都开发了相应的产品。图11是视网膜的CT扫描图像。德国科学家最近推出了一种OCT设备，可用于皮肤癌诊断。此外，OCT可以实现深度测量的优势(~1mm)，已经应用于生长细胞的观察和监测。
而OPT则面向工业工程——油井、管道等场所，高精度解决流体过程测量问题。因为OPT关注的是光路上的集成过程，所以测量理论分析中相关的系统集成设计、单元划分、信号处理都是重点。OPT具有适用于狭窄或不规则空间、安全性高、测量区域无电磁干扰、可组成测量网络等诸多优点，为工业过程的安全测量提供了一种极好的手段。
智能材料
智能材料的提出和研究已有相当长的时间，为业内人士所熟悉。智能材料是指将敏感元件嵌入被测元件的本体和材料中，在元件或材料正常工作的同时，实现对其安全运行和失效的实时监测。其中，光纤和电线与各种材料的有效结合是关键问题之一，尤其是实现与纺织材料的自动编织。
智能材料作为桥梁、大坝等大型混凝土建筑的监测系统，已通过安装测试，并在国外多个项目中投入使用。此外，智能材料在航空航天领域的应用也越来越广泛，特别是利用光纤光栅和光纤分布式应力温度测量系统对恶劣环境条件——高温和变形的多参数监测取得了明显的效果。
光纤陀螺和惯性导航系统
从1980年到1990年的十年间，系统误差因子和光纤器件的研究取得了显著进展。新型SLD光源、保偏光纤和耦合器以及特殊缠绕技术的采用为陀螺的实用化铺平了道路。上世纪90年代，中级I-FOG由于采用了去偏振结构、3轴I-FOG、EDFA光源等新型光纤器件和技术，实现了降低成本、缩小体积、提高性能的目标，并率先应用于航空航天和军事领域。比如美国霍尼韦尔公司为美国军方制造的直升机三轴惯性导航系统，直径只有86毫米。国际上一些高性能光纤陀螺的漂移指数已经达到0.001/HR，许多产品已经投入民用飞机和汽车工业。未来，光纤陀螺在工业领域的应用将会有更广阔的天地。
工业工程传感器
传统的工业工程传感器包括电力行业使用的大电压、大电流传感器，利用光纤的电光、磁光效应进行测量。基于光纤的弹光效应和FBG器件的应力传感器已经广泛应用于应力监测。监测和传感系统应用于许多特殊场合——核工业、化学工业和石油钻探。光纤传感系统越来越成熟，逐渐融入日常生产和生活。
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