随着现代科学技术的发展，信息的获取变得越来越重要。它是传感器感知、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来改变被测光特性(强度、相位、偏振态、频率、波长)的传感器。它将光源发出的光通过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光发生相互作用，导致光学性质(如光强、波长、频率、相位、偏斜度等)发生变化。)的光，称为调制信号光。通过光纤送入光电探测器，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。光不仅可以被人直接感知，还可以利用半导体二极管等简单的小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。感知是指外界信号根据其变化规律，改变光波在光纤中传输的强度(功率)、波长、频率、相位、偏振态等物理特性参数。测量光学参数的变化意味着感知外部信号的变化。这种感知本质上是外界信号对光纤中传播的光波进行了调制。所谓传输，是指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，光纤传感技术包括调制和解调技术，即外部信号(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部信号(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。芯是直径约0.1 mm的细玻璃纤维，是一种把光围起来沿轴向传播的波导结构。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，光纤内部传输光波的参数会发生变化，并且这些变化与外界因素有一定的规律，于是发展了光纤传感技术。
光纤对许多外部参数很敏感。研究光纤传感的原理就是研究如何应用光纤的这些效应，研究光与外界被测参数在调制区的相互作用，从而实现传输和传感外部被测参数，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信号的介质。显然，在这种应用中，光纤传输的光信号受到的外界干扰越少越好。然而，在实际的光传输过程中，光纤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，会引起光强、相位、频率、偏振、波长等光纤参数的变化。因此发现，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，所以光纤传感技术是
以上是光纤传感器的原理结构图。光纤通常由光源、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等组成。诸如光强、波长、振幅、相位、偏振态、模式分布等参数。可能在光纤传输中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。光纤传感器根据这些参数与外界因素的关系来检测每个对应物理量的大小。
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、检测电子设备与传感器距离远等优点。并能形成传感网络。
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多种物理量。综上所述，它有以下优点：
1、精度高，响应速度快，线性特性范围宽，重复性好，检测信号信噪比高。由于光纤的批量生产和低廉的价格，可以得到广泛的应用。
光纤由传输光信号的电介质材料应时制成。因此具有良好的安全可靠性，抗电磁干扰能力强，可在电力、石油、化工、冶金等易燃、易爆或有毒的环境条件下工作。
3、耐腐蚀，耐污染。可用于温差大的地方，具有优良的时间老化特性，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、光纤是无源器件，独立性好，不会破坏被测状态。
6、广泛的测量对象。目前有多种不同性能的光纤传感器，用于测量各种物理量、化学量、生物量等，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
根据调制区域与光纤的关系，调制可分为三类：
光纤传感器
光纤传感器又称非功能光纤传感器或强度调制光纤传感器。光纤主要起到传输光波的作用。光纤传感器主要由光源、光纤、光调制器、敏感元件、光电探测器和检测电路组成。光纤传感器的基本原理是待测物理量引起光纤中传输光的光强I发生变化，通过检测光强I可以测量待测物理量。
强度调制的特点是简单、可靠和经济。强度调制有多种方式，包括反射式强度调制(如图1所示)和透射式强度调制(如图2所示)。
图1反射强度调制示意图
图2透射强度调制示意图
传感光纤传感器
光纤传感器也叫功能光纤传感器。光纤不仅能传输光和传感，还能充当敏感元件。对于传感型光纤传感器，当光在光纤中传播时，被测物理量或外界因素作用于光纤，改变了光纤中传输光的振幅、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。
光纤传感器的原理比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，集成传输和感觉作为传感器。光纤不仅起着传输光的作用，而且还实现了传输和传感利用光纤在外界因素(弯曲、相变)作用下光强、相位、偏振等光学特性的变化。此外，传感器中的光纤是连续的。由于光纤是连续的，增加其长度可以提高灵敏度。应用最广泛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，进而改变出射光(干涉光)的强度，达到测量目的。
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和斐索干涉型光纤传感器。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。
光学拾取光纤传感器
光纤传感器：这种传感器以光纤为探头，接收被测物体辐射或被其反射、散射的光。典型的例子有光纤激光多普勒测速仪、辐射式光纤温度传感器等。
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、光纤流量传感器等。
根据调制光波参数，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。
激光束被扩展、聚焦并输入到多模光纤中。其中，非导向模式由混合模式过滤器移除，然后由变形器替换。当光纤微弯程度不同时，转换成包层模的能量也会发生变化。用千分尺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0.6V/a(强烈依赖于多模光纤中的导模分布，高阶模越多，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
利用外界因素引起的光波在光纤中的相位变化来检测物理量等各种参数的传感器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，光纤Sagnac干涉仪就是其中的典型之一。
光纤Sagnac干涉仪的基本原理是：在同一根光纤缠绕的光纤线圈中，两个方向相反的光波在外界因素的作用下会产生不同的相移。然后，通过干涉效应进行检测。最典型的应用是旋转检测和光纤陀螺仪。由于它没有运动部件，没有非线性效应和激光陀螺在低速时的锁定区域，因此非常有希望制成高性能、低成本的器件。
下图是光纤Sagnac干涉仪的示意图。长度为L的光纤被缠绕成光纤环
7是光电探测器；8是偏振棱镜；9是信号处理单元
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、光纤流量传感器等。
光纤传感器技术热点
目前，光纤传感器的研究热点集中在光纤光栅(FBG和LPG)传感器和分布式光纤传感系统上。
自FBG光纤传感器发明以来，经历了原理研究和实验论证阶段。目前，成熟的FBG制造技术可以形成小批量生产能力，研究的重点已经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传输和传感介质相结合的特性，沿铺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)发明于1978年。这种简单的本征传感元件可以利用硅光纤的紫外敏感性写入纤芯。下图显示了FBG的基本原理。
普通的FBG传感器可以通过测量布拉格波长的漂移来检测被测波长。当宽光谱光源入射到光纤中时，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和复用多个传感器的特点。
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、振动等参数。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。由于测量采用包层膜耦合原理，因此具有灵敏度高、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，由于对工业和民用建筑和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也逐渐上升。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。
分布式光纤传感系统有三种类型：拉曼型、布里渊型和FBG型。
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。报道了三种传感系统的应用。其中拉曼分布式传感系统最为成熟，已成功装载在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，可以同时测量温度和应力，为FBG的应用开辟了更广阔的前景。
光纤传感器应用技术的种类
光纤传感器的应用和发展按照目前的应用热点和技术类型大致可以分为四个方向：光学(光纤)层析成像分析技术OCT、光纤智能材料、光纤陀螺仪和惯性导航系统、常规工业工程传感器。
光学层析成像技术
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(CT)。当X射线或光线穿过被测样品时，不同的样品材料对射线的吸收特性不同。因此，通过测量和分析射线可以获得所需的样品参数
光纤断层成像主要应用于生物、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。
它为OCT生物细胞和生物活性检测提供了一种有效的途径，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)，一些例子已经用于观察和监测生长中的细胞。
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。由于OPT关注的是光路上的集成过程，因此测量理论分析中的相关系统集成设计、细胞划分和信号处理是重点。OPT具有许多优点，如适用于狭窄或不规则空间、安全性高、测量区域无电磁干扰、能够组成测量网络等。它为工业过程的安全测量提供了极好的手段。
智能材料
智能材料的提出和研究已经有相当长的时间，业内人士都很熟悉。智能材料(Intelligent material)是指在被测元件和材料中嵌入敏感元件，从而实现对元件或材料在日常工作时的安全运行和故障的实时监测。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，已在国外多个项目中安装、测试并投入使用。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测温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，系统误差因素和光纤器件的研究取得了重大进展。新型SLD光源、保偏光纤和耦合器以及特殊缠绕技术的应用为陀螺的实用化铺平了道路。90年代中期，中间I-FOG采用了新的光纤器件和技术，如消偏振结构、三轴I-FOG、EDFA光源等。达到了降低成本、缩小体积、提高性能的目的，率先应用于航空航天和军事领域。如美国霍尼韦尔公司为美军制造的直升机三轴惯性导航系统直径仅为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/小时，许多产品已经投入民用飞机和汽车工业。在未来，光纤陀螺在工业领域的应用将会有更加广阔的天地。
工业传感器
传统的工业工程传感器包括用于电力行业的高压和电流传感器，它们利用光纤的电光和磁光效应进行测量。利用光纤的弹光效应和FBG器件的应力传感器已经广泛用于应力监测。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，并逐渐融入日常生产和生活。
