光纤传感技术基础：从原理到核心应用详解

光纤传感器的核心元件是一根由高透明度玻璃或聚合物材料制成的纤细光纤。其基本结构包含一个折射率为 n_core 的纤芯，以及一个折射率为 n_cladd 的包层。光在光纤中的传播行为可以通过多种模型来解释，这些模型各有其理论基础和适用范围。例如，射线光学解释了光传播的运动学路径；波动光学阐释了衍射与干涉现象；电磁光学则能对经典光学现象进行精确分析，包括界面处的能量效应；而量子光学则能解释包括光与物质相互作用在内的所有已知光学现象。为了便于实践和理解，本文的讨论将主要集中在射线光学和波动光学层面。

光纤导光的基本原理

从射线光学的角度看，光在光纤中的传播机制可以直观地理解。当光从光纤一端射入，并且纤芯的折射率高于包层（即 n_core > n_cladd）时，光线会在纤芯与包层的界面上发生全内反射，从而沿着光纤向前传播。

图1 多模光纤中的光传播示意图

然而，并非所有角度入射的光都能被有效传导。只有当入射角 Θ 在一个特定的最大接收角 Θ_max 范围之内时（如图1所示），光线才能在光纤内稳定传播。这意味着光线在纤芯-包层界面的反射角不能超过临界角 α_max。如果入射角大于 Θ_max，光线在界面处将不再是全反射，而会有一部分折射进入包层，导致光能损耗，无法继续有效传播。

光纤的导光特性在很大程度上取决于纤芯和包层的折射率分布。根据折射率分布的不同，常见的传感用二氧化硅光纤可分为几类，如表1所示。

表1 传感用二氧化硅光纤主要类型概览

在阶跃折射率光纤 (Step-Index Fiber) 中，纤芯的折射率在整个横截面上是恒定的。光线在纤芯内沿直线传播，并在纤芯-包层边界处发生全反射。不同入射角的光线传播路径长度不同，导致传输时间存在显著差异，这种光纤被称为多模光纤 (Multimode Fiber)。如果将纤芯直径做得非常小（通常小于10 μm），光纤将只允许一种模式的光通过，这便是单模光纤 (Single-Mode Fiber)。

在渐变折射率光纤 (Graded-Index Fiber) 中，纤芯的折射率随半径变化，从中心最高向边缘逐渐降低，而包层的折射率保持不变。这种设计非常巧妙：靠近中心轴线传播的光线路径较短，但由于折射率较高，其传播速度较慢；而偏离中心的光线路径较长，但其所在区域的折射率较低，传播速度较快。通过精确设计折射率的分布曲线，可以有效补偿不同光线路径之间的传输时间差异，减小模式色散。

一个完整的光纤传感系统除了传感光纤外，还包括一个包含光源和探测器的光电单元，以及用于数据采集、处理和仪器控制的处理单元。

图2 完整的光纤传感系统原理设置

根据传感器类型的不同，光源通常选用半导体激光二极管 (LD)、垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 或发光二极管 (LED)。探测器则多集成PIN光电二极管、雪崩光电二极管 (APD) 或微型光谱仪。对于特殊或高分辨率的测量任务，则需要动用更复杂的设备，如光时域反射计 (OTDR) 或高分辨率光谱分析仪。

法布里-珀罗干涉仪 (FPI) 传感器

法布里-珀罗干涉仪 (FPI) 传感器的核心是一个由两面相互平行的反射镜构成的谐振腔，这两面镜子垂直于光纤轴线。FPI传感器主要有两种结构：

1. 本征型 (Intrinsic) FPI：谐振腔由光纤内部的两个反射镜构成，镜间距（即腔长）可达数毫米，这个距离定义了传感器的标距。
2. 非本征型 (Extrinsic) FPI (EFPI)：谐振腔由两根未经镀膜的光纤端面之间的空气隙构成（通常为10-100 μm）。最常见的设计是将两段光纤的末端固定在一根空心管中，利用光纤端面的菲涅尔反射形成干涉。

图3 常见的光纤法布里-珀罗干涉仪类型

FPI传感器的工作原理如下：入射光在谐振腔内发生两次反射，一次是在空气隙前端的玻璃/空气界面（参考反射），另一次是在空气隙后端的空气/玻璃界面（传感反射）。这两束反射光在输入/输出光纤中发生干涉。当外界的力或温度导致空心管发生轴向形变时，管内两光纤端面的相对位置会发生移动，从而改变了空气隙的长度。这种微小的长度变化引起了参考反射光和传感反射光之间的相位差，最终表现为输出干涉信号的光强度变化。

商用化的FPI传感器系统已广泛用于应变、温度和压力测量。它们能够实现局部应变测量，范围在 -5000 μm/m (压缩) 到 +5000 μm/m (拉伸) 之间，分辨率可高达 0.1 μm/m，标距范围通常为 1-20 mm。由于其响应时间极快（可达2 MHz），FPI传感器同样适用于机械振动和声波的探测。在结构健康监测领域，就测量性能和适用性而言，FPI传感器是最常用的干涉型点式传感器之一。如果您在实际工作中也面临类似的精密测量挑战，我们非常乐意与您一同探讨解决方案。

光纤布拉格光栅 (FBG) 传感器

1978年，Hill及其同事发现了锗掺杂光纤的光敏性，这一发现为制造具有窄带反射光谱的纤内反射式布拉格光栅滤波器奠定了基础。他们发现，当紫外光 (UV) 照射这种光纤时，其折射率会发生永久性增加。如今，在特定波长下制造具有周期性折射率变化和精确栅格间距（栅格周期 Λ）的光纤光栅已是一项成熟技术。

图4 光纤布拉格光栅传感器原理

光纤布拉格光栅 (FBG) 通常长度为 1-25 mm，是典型的点式传感器。栅格平面之间的距离 Λ 可以变化。常见的FBG满足条件 Λ < λ，其周期 Λ 小于 1 μm。传感应用中的FBG主要是均匀光栅，即整个光栅段的周期恒定，且栅格平面垂直于光纤轴线。

其工作原理可以这样理解：当一束宽带光信号通过FBG时，只有满足布拉格条件的特定窄带波长 λ_B 会因为光栅平面间的相干叠加而被反射回来。布拉格条件为：

λ_B = 2n_effΛ

其中，n_eff 是纤芯的有效折射率，Λ 是光栅周期。反射的中心波长（布拉格波长 λ_B）由制造时设定的光栅周期 Λ 决定。从该公式可以看出，当有效折射率 n_eff（如受温度影响）或光栅周期 Λ（如受光纤形变影响）发生改变时，布拉格波长 λ_B 也会随之漂移。这意味着应变或温度的变化（或两者共同作用）将导致反射光谱的中心波长发生移动。通常，当光纤被拉伸 (Δε > 0) 时，λ_B 增大；当被压缩 (Δε < 0) 时，λ_B 减小。通过光谱分析仪精确测量这一波长漂移，就可以反推出应变或温度的变化。

对于均匀的轴向应变和无横向形变的情况，应变 ε 可以通过一个简单的线性方程计算：

ε = K * (Δλ_B(ε_z) / λ_B) + ξΔT

其中 K 是需要通过校准确定的应变灵敏度系数。应变灵敏度与所用波长有关，具体数值见表2。在热灵敏度方面，波长漂移主要由温度引起的光纤折射率变化主导，玻璃材料本身的热膨胀效应（光纤玻璃膨胀系数约为 0.55 K^-1）贡献很小。

表2 FBG的典型应变与温度灵敏度

与其他传感技术相比，FBG传感器具备一系列突出优势：

• 线性响应：布拉格波长漂移与传感器形变成简单的线性关系，与FPI传感器不同，其信号对于拉伸/压缩变化没有模糊性。
• 绝对测量：传感信息（应变/温度）被内在地编码在波长上。即使电源中断，测量信息也不会丢失。
• 传输线路中性：测量数据不受传输光纤弯曲损耗或光源光强波动等噪声源的影响。
• 解调单元与传感器分离：更换解调单元或使用带斜面抛光连接器的引线光缆不会影响信号响应。
• 准分布式测量潜力：可以在一根光纤上刻写多个具有不同布拉格波长的光栅（传感器阵列），通过波分复用技术实现对沿线多个点位应变和温度的准分布式传感。

要获得高精度的波长漂移监测，通常需要使用基于高分辨率单色仪或光谱分析仪 (OSA) 的实验室级仪器。对于应变分辨率要求不高的应用，市场上也有许多低成本的便携式解调单元可供选择（见表3）。选择现场应用的解调单元时，需要综合考虑扫描频率、可同时读取的光栅数量、长期波长重复性、对光功率波动的免疫力、对温度和振动的低敏感性、易用性以及成本等因素。要实现FBG传感器的多路复用能力，主要利用其波长编码的特性。通过为光纤上的每个传感器设计不同的初始波长，利用波分复用技术，即可实现对不同空间位置的应变、温度或其他物理量的准分布式测量。可复用的传感器数量取决于光源的带宽（通常约70 nm）、每个光栅的反射带宽（通常约0.4 nm）以及为测量预留的波长漂移范围（有时可达±3.5 nm）。利用这种方法，最多可以在一根光纤上串联查询20个传感器。

图5 (a) 利用三个FBG对风力发电机叶片复合材料结构进行分布式应变测量；(b) 经过1000万次动态加载可靠性测试后的FBG信号

表3 商用FBG传感器解调单元示例

FBG传感器将微小的物理变化转化为精确的波长信号，其解调和数据分析对设备和专业知识要求极高。这正是专业检测实验室的核心价值所在。 精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测材料应变与结构健康监测，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

低相干干涉测量技术

通过低相干干涉测量技术可以实现积分式或长标距的传感。该技术基于一个双迈克尔逊干涉仪和一个低相干光源（如LED或热光源）。

图6 基于低相干干涉技术的光纤传感系统

传感干涉仪包含两条光纤臂：一条是与被测结构有机械接触的测量光纤，另一条是用于补偿温度影响的参考光纤。参考光纤必须松散安装在测量光纤附近，不受应力作用。当结构变形导致测量光纤被拉伸或压缩时，两条光纤之间的长度差会发生变化。这个光程差可以通过位于便携式解调单元中的第二个干涉仪来解调。由于位移信息被编码在光的相干特性中（典型LED的相干长度为10-100 μm），而不影响其光强，因此该方法具有很高的测量精度和可重复性。测量系统可以在两次测量之间关闭，甚至更换连接器或光缆，而不会丢失零点数据。

典型的商用长标距传感器参数如下：

• 测量长度: 50 cm 至数十米
• 测量范围: 0.5% 压缩, 1.0% 拉伸
• 测量精度: 2 μm
• 测量误差: Δε = ±1.25 × 10^-5
• 延迟与形变比例因子: (128±1) μm/ps

这类传感器可以制成管式或扁平带状。带状传感器便于集成到复合材料或多层材料的界面区域。

光时域反射技术 (OTDR)

利用光时域反射技术 (OTDR) 可以在材料或结构内部实现准分布式传感系统。其原理是：向光纤中发射一束超短光脉冲，通过测量脉冲在光纤沿线特定标记点（如熔接点、光致反射点或挤压点）之间往返的飞行时间，来确定这些区段的物理量变化。

图7 基于背向散射信号评估的准分布式光纤传感器

由两个反射点确定的测量区段的伸长或压缩，会改变光脉冲的飞行时间：Δε ~ Δt_p / [(c / 2L₀)n]，其中 c 是光速，n 是折射率。基于这一关系，通过OTDR设备可以查询沿光纤标记链的平均应变变化。

这种方法无需在传感光纤上设置分立的传感器件，即可评估大型构件的应变分布。应变分辨率取决于所用OTDR设备的性能。高分辨率的皮秒OTDR设备能够实现0.2 mm的伸长分辨率（假设测量段内两反射点间距不小于100 mm）。尽管这种方法可以分辨0.35 mm的反射点位移，但长期可重复的位移精度约为0.85 mm，这足以识别材料中的危险变化或粘接完整性的丧失。

传统OTDR技术评估的光纤长度受限于沿线的光功率损耗，可达数百米，包含数十个传感区段。该方法的一个显著优点是，所有反射点的位置都可以参照一个稳定的参考反射点来确定，从而避免了误差从一个反射点累积到下一个。

此外，对于复合材料中横向压力、作用力或分层起始等监测需求，可以嵌入单模保偏光纤。通过非圆形纤芯或在纤芯周围引入应力各向异性（如熊猫或领结型光纤）可产生内部双折射。两个正交偏振模式之间不同的传播速度，使得复合材料结构中的任何损伤或参数变化都会扰动传感光纤的双折射参数。利用时延测量技术，可以定位扰动的位置和强度，不确定度约为10 cm。

图8 利用准分布式光纤传感器监测德国埃德尔重力坝锚固段的粘接行为

布里渊散射技术

在光纤中，布里渊散射源于光与声子（量化的声波）的相互作用。本质上，光被与声波相关的折射率变化所散射。被声子散射的光会发生频移，频移量由声子的声速决定，而声速又取决于玻璃的密度，进而与材料的温度和应变相关。布里渊频移 ν_B 由下式给出：

ν_B = 2n * (V_a / λ)

其中，V_a 是玻璃中的声速，是温度T和应变ε的函数；n是有效折射率；λ是工作波长。频移量与光纤的温度和应变均呈线性关系。其应变灵敏度约为 4.6 × 10^-6/με，温度灵敏度约为 9.4 × 10^-5/°C。

自该技术问世以来，一系列的技术创新极大地提升了布里渊传感的能力。一个典型的应用是采用双回路布设传感光纤：一条路径紧贴或嵌入被监测结构，同时承受温度和应变；返回路径则松散铺设，仅测量温度分布。通过这种布置，可以实现1°C的温度分辨率和25 με的应变灵敏度，空间分辨率约为1米。

图9 一根11公里长光纤内的布里渊频移区域（上图）。局部放大显示，3 MHz的频移分辨率对应于2.6°C的温度分辨率或0.006%的应变分辨率（下图）

图9展示了一根长达11公里的光纤中的布里渊频移区域。局部放大图清晰地展示了该设置的温度和应变分辨率。图中两个峰值的差异约为3 MHz，这代表了2.6°C的温度分辨率或0.006%（即60 με）的应变分辨率。这种长距离、全分布式的传感能力，使其在大型基础设施的健康监测中具有不可替代的优势。