一、光纤传感器的原理和结构

光纤传感技术是以光为信息载体，以光纤为传输或传感手段来探测光波的一种或多种属性的变化的新一代传感技术。光纤传感技术是随着光纤及光纤通信技术的发展而兴起的新技术。在光纤通信系统中人们发现，光纤收到外界环境因素的影响，将引起其传输的光波量发生变化，将返回的光波量进行解调，可以反向推导出被测物理量的大小。常见的被测光波量包括振幅（amplitude）、相位（phase）、波长（wavelength）、频率（frequency）、偏振（polarisation）等。

光纤传感器是利用光纤传感技术、基于光导纤维的新型传感器。光纤传感器的主要结构有光源、光纤传感器、光探测器、光无源部件和光纤。光源相当于一个信号源，负责信号的发射，激光二极管和发光二极管是最常见的光源；传感元件是感知外界信息，相当于调制器；光探测器负责对光纤传出的光信号进行检测，并转换成电信号送往信号处理电路，作用是还原外界信息，相当于解调器；光纤是传输媒介，负责信号的传输；光无源部件是一种不必借助外部能量、依靠自身就能够完成某种光学功能的器件，在光纤传感其中负责协助光路的传输，按功能可分为光连接器件、光开关器件、光隔离器件、光波长分配器件、光调制器件等

1.2 光纤传感器的优点

基于光纤和光波的特性，光纤传感器较传统的电类传感器具有众多优点：抗电磁干扰能力强、电绝缘性能好、远距离监控、传输速度更快、承载信息量更大等优点。

1）抗电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀

作为传感介质的光纤或者光纤器件，其材料主要成分为二氧化硅，是本质安全的。因此光纤传感技术具有抗电磁干扰、防雷击、防水防潮、耐高温、耐腐蚀等特点，可以在条件比较恶劣的环境中（如强辐射、高腐蚀、易燃易爆、高温高压、深水矿井等场所）使用。 

2）体积小、质量轻、可塑性强

光纤作为传感技术的主要组成部分，其体积小、质量轻，而且可以进行一定程度的弯曲，因此可以随被测物体形状改变走向，能最大限度的适应被测环境，既可以埋入复合材料内，也可以粘贴在材料的表面，与待测材料有着良好的相容性。 

3）带宽大、损耗低、易于长距离传输

光纤的工作频带宽而且光波在光纤中的传输损耗小（如 1550nm 光波在标准单模光纤中的传输损耗只有 0.2dB/km），适合长距离传感和远程监控。

4）可测参量多、对象广

通过不同的调制和解调技术，光纤传感技术可以实现多种参量的传感。除了应力、温度、振动、电流、电压、震动等传统传感领域，还可以被应用在测量速度、加速度、转速、转角、弯曲、扭绞、位移、溶液浓度、液体泄漏、气体浓度等新型传感领域。 

5）灵敏度高，便于复用、组网

有效设计的光学传感技术可以使得光纤传感技术实现极高灵敏度的测量。由于光波间不会相互干扰，可利用通信中的波分复用技术在同一根光纤中同时传输很多波长的光信号，而且光纤本身组网便利，有利于与现有光通信设备组成光纤传感网络。 

二、 光纤传感器在国防军事中的应用

光纤传感器在国防军事中的具体应用主要有光纤水听器、光纤陀螺仪和光纤光栅，主要应用领域为航空航天和航海。

1）光纤水听器

在海洋中，声波是唯一能够实现远距离传播的能量传递形式，声纳设备则是海上军事领域的“顺风耳”，能够在远距离侦听到潜艇、舰船等发出的声音涟漪。光纤水听器是一种探测水下声呐的装置，在军事应用中，常用于航母、军舰的声呐探测和海底观测网的搭建。由光纤水听器构成的海防传感网络系统，是目前正在开发的新兴防卫系统，该系统已开始用于海上边防和重要军事地区的海防警戒。未来，还可以把光纤水听器与陆地侦听站和空天探测卫星编织成的一张天、地、海的综合探测网，或将成为军事物联传感网络的重要组成部分。海域安防体系建设将推动光纤水听器市场未来5年增长近百亿元，我国海域安防面临威胁，海域攻防体系的建设迫在眉睫。围绕舰艇装备、海底观测网等构建多层次、一体化的综合攻防体系，是当前我国的重点战略方向之一。

2）光纤陀螺仪

在航空航天领域中，光纤陀螺可应用于战术导弹的精确制导和导航卫星的姿态控制，能够大幅提高随机游走精度，基于光纤陀螺仪的惯导系统广泛应用于全球定位系统、多普勒测速器等领域。

3）光纤光栅

光纤光栅可应用于航空航天器的结构损伤探测和应变监测。为了监测一架飞行器的应变、温度、振动，起落驾驶状态、超声波场和加速度情况，通常需要100多个传感器，故传感器的重量要尽量轻，尺寸尽量小，因此最灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。飞机的复合材料中存在两个方向的应变，嵌入材料中的光纤光栅传感器是实现多点多轴向应变和温度测量的理想智能元件。

三、光纤传感器在民用工业中的具体应用场景如下：

1）油气勘探

在石油石化行业中，光纤传感技术主要应用在油库、油气管道及油气开采的监测领域。通过光纤传感技术能及时掌握油库油罐的液位、温度、压力、油气浓度等状态参数，可以大大提高油库的进油、储油和管理的工作效率，极大的提高安全保障。还能通过对各物理量的分析，实时监测井下情况，从而优化采油生产、提高采收率、减少修井作业。

2）煤矿开采

基于光纤传感技术的瓦斯安全综合监控系统可以在10公里内对瓦斯、矿压、水压、温度、声发射、地震波等进行监测，极大程度地避免了煤矿安全事件的发生。

3）电力系统

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、转子内温度的检测等，由于电类传感器易受电磁场的干扰，无法在这类场合中使用，只能用光纤传感器。

4）建筑工程监测

光纤传感技术也大量使用在桥梁、大坝等大型建筑工程的结构安全监测，具体应用是光纤光栅技术。桥梁及大坝在服役过程中要经受各种环境荷载、疲劳效应、腐蚀和材料老化等不利因素的影响，其结构将不可避免地产生损失积累和抗力衰减。将光纤光栅埋进到桥梁及大坝中，测量桥梁及大坝内部的应力、应变以及结构损伤，已成为桥梁及大坝监测中的有效的监测技术。

5）大气监测

我国目前的大气监测是被动式的，已经无法满足互联网大数据的全光谱测量的要求，并实现全范围检测的数据可视化和实时监控。为了达到全范围监测，当前采用的是采样法，但无法做到数据的实时更新。未来光纤传感器将遍布城市的各个监测点，能够将实时数据反馈回系统中心，进行实时监控和分析，同时也大量减少人工作业。

6）农业作业

一般来说，将传感技术应用在农作物的生长、收获、存储等多个方面形成一个农业物联网，从而达到农业生产与管理达到高产与低耗的目的。

7）周界安防

周界安防主要包括入侵报警、火灾预警、门禁等内容。传统报警系统存在被突破几率较高、防误报技术有待改进、定位功能原始等缺点，难以满足国家重要机部门、机场、监狱、银行、博物馆等特殊场所较高级别安防的需求。光纤传感技术可以有效克服电类传感器的不足，是未来智能环境感知与周界探测预警系统的主要发展方向之一。

8）管道泄漏

油、气、水管道作为传输天然气、石油、自然水的最主要载体，对管道的密闭性一直就有着极为严格的要求。一旦管道的密闭性不佳，出现泄漏现象，在天然气与外界各种可变因素发生接触反应的情况下，则可能引发各种大规模性的恶性事故，带来严重的损失。管道泄漏监测系统是一套很好的预警管道泄漏的在线监测设备，能做到准确度高、误报率少，定位准。该系统设计到光纤传感器的种类有分布式光纤传感光缆（包括温度、振动）、光纤水听器、光纤光栅土压计、光纤光栅位移计等。