光纤传感器性能分析
姓名：杨银龙 学号：3090405014 摘要：近年来，传感器朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程
中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤传感器随着光纤通信技术的实用化
有了迅速发展，且以体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等明显优于传统传感器的特点，其应用范围深入至国防军事、航天航空、土木工程、电力、能源、环保、医学等。现如今光纤传感器已经能够对温度、压
力、温度、振动、电流、电压、磁场等物理量进行测定，发展空间相当广阔。
1.光纤传感器的现状与发展
光纤传感器的类型及特点光纤传感器的类型很多，按光纤传感器中光纤的作用可分为传
感型和传光型两种类型。传感型光纤传感器又称为功能型光纤传感器，主要使用单模光纤，光纤不仅起传光作用，同时又是敏感元件，它利用光纤本身的传输特性经被测物理量作用而
发生变化的特点，使光波传导的属性(振幅、相位、频率、偏振)被调制。对于传感型光纤传
感器，由于光纤本身是敏感元件，因此加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度。传光型光纤
传感器又称非功能型光纤传感器，它是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后，通过在
输出段进行光信号处理而进行测量的。在这类传感器中，光纤仅作为传光元件，必须附加能
够对光纤所传递的光进行调治的敏感元件才能组成传感元件。
光纤传感器的技术发展方向光纤传感技术经过20余年的发展也已获得长足的进步，
出现了很多实用性的产品，然而实际的需要是各种各样的，光纤传感技术的现状仍然远远不
能满足实际需要。光纤传感器的应用光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有
重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年
来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面的应用: (1) 城市
建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用；(2) 在电力系统，需要
测定温度、电流等参数；(3) 在石油化工系统、矿井、大型电厂等，需要检测氧气、碳氢化
合物、CO等气体，采用电类传感器不但达不到要求的精度，更严重的是会引起安全事故；
(4) 在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面；(5) 医学及生物传感器。医学临
床应用光纤辐射剂量计、呼吸系统气流传感系统。
目前，光纤传感器技术发展的主要方向是：(1) 传感器的实用化研究。即一种光纤传感器不
仅只针对一种物理量，要能够对多种物理量进行同时测量。(2) 提高分布式传感器的空间分
辨率、灵敏度，降低其成本，设计复杂的传感器网络工程。注意分布式传感器的参数，即压
力、温度，特别是化学参数(碳氢化合物、一些污染物、湿度、PH值等)对光纤的影响。(3) 传感器用特殊光纤材料和器件的研究。例如:增敏和去敏光纤、荧光光纤、电极化光纤的研
究等。这些将是以后传感器进一步发展的趋势。(4) 在恶劣条件下(高温、高压、化学腐蚀)
低成本传感器(支架、连接、安装)的开发和应用。(5) 新传感机理的研究，开拓新型光纤传
感器。
2.1光纤传感器的工作原理
光纤传感器的基本构成和组成原理光纤传感器主要由光源、光纤与探测器3部分组成，
光源发出的光耦合进光纤，经光纤进入调制区，在调治区内，外界被测参数作用于进入调区
内的光信号，是其光学性质如光的强度、相位、偏振态、波长等发生变化成为被调制的信号
光，再经过光纤送入光探测器而获得被测参数，光纤传感器中的光纤通常由纤芯、包层、树
脂涂层和塑料护套组成，纤芯和包层具有不同的折射率，树脂涂层对光纤起保护作用，光纤
按材料组成分为玻璃光纤和塑料光纤；按光纤纤芯和包层折射率的分布可分为阶跃折射率型
光纤和梯度折射率光纤两种。光纤能够约束引导光波在其内部或表面附近沿轴线方向向前传
播，具有感测和传输的双重功能，是一种非常重要的智能材料。
2.2光纤温度传感器的原理
光纤温度传感器采用一种和光纤折射率相匹配的高分子温敏材料涂覆在二根熔接在一
起的光纤外面，使光能由一根光纤输入该反射面出另一根光纤输出，由于这种新型温敏材料
受温度影响，折射率发生变化，因此输出的光功率与温度呈函数关系。其物理本质是利用光
纤中传输的光波的特征参量，如振幅、相位、偏振态、波长和模式等，对外界环境因素，如
温度，压力，辐射等具有敏感特性。它属于非接触式测温。利用部分物质吸收的光谱随温度
变化而变化的原理，分析光纤传输的光谱了解实时温度。从室温到1800℃全程测温的光纤
温度传感器的系统主要包括端部掺杂的光纤传感头、 Y型石英光纤
YF接触式光纤温度传感器
传导束、 超高亮发光二极管（LED）及驱动电路、 光电探测器、荧光信号处理系统和辐射
信号处理系统。
系统的工作原理为: 在低温区（400℃以下）, 辐射信号较弱, 系统开启发光二极管(LED)
使荧光测温系统工作。 发光二极管发射调制的激励光, 经聚光镜耦合到Y型光纤的分支端,
由Y型光纤并通过光纤耦合器耦合到光纤温度传感头。 光纤传感头端部受激励光激发而发
射荧光, 荧光信号由光纤导出, 并通过光纤耦合器从Y型光纤的另一分支端射出, 由光电探
测器接收。 光电探测器输出的光信号经放大后由荧光信号处理系统处理, 计算荧光寿命并
由此得到所测温度值。 而在高温区（400℃以上）, 辐射信号足够强, 辐射测温系统工作, 发
光二极管关闭。 辐射信号通过蓝宝石光纤并通过Y型光纤输出, 由探测器转换成电信号, 系
统通过检测辐射信号强度计算得到所测温度。
光纤传感头端部由Cr3+离子掺杂, 实现光激励时的荧光发射。 掺杂部分光纤长度为
8～10 mm。 端部光纤的外表面同时镀覆黑体腔, 用于辐射测温。 (这时,光纤黑体腔长度与
直径之比大于10,可以满足黑体腔表观辐射率恒定的要求)。 值得注意的是, 避免或减少荧
光发射部分与热辐射部分的相互干扰, 对保证整个系统的性能十分重要。
经过分析, 可以发现这种干扰主要表现为:
1) 荧光信号中辐射背景信号对荧光寿命检测精度的影响,
2) 光纤表面镀覆对荧光强度的影响,
3) 光纤内Cr3+离子掺杂对黑体腔热辐射信号的影响。
3.光纤不同产品的技术参数比较分析
（1）D10系列光纤检测系统：高性能的光纤放大器，和塑料光纤配套使用，双极性，双开
关量，模拟量／开关量输出类型可选，专家型具有清晰可见的4位LCD或柱形状态指示等，
显示设定状态及信号强度，按健设定或手动增益调节可选，可选可见红光(680nm)或绿光
(525nm)光源，提供亮／暗态操作模式，35 mm DIN导轨安装，厚度紧10mm。型号：D10AFP，
D10AFPQ，D10FAPG，D10AFPY，D10AFPYQ，D10AFPGY，D10AFPGYQ等。
（2）FS-V10系列光纤放大器：自动与手动校正，20位并行处理晶片，高精度及高功率，
节省布线之零线或单线连接系统，型号有：FS-V11，FS-V12，FS-V11P,FS-V12P,FS-V13P。
（3）双值数字显示光纤FS-V20传感器：预设值与当前双值数字显，同业中最强的光束，
50µs的业界最高反应速度，在更长的使用寿命中提供稳定的检测。型号有：
FS-V21R,FS-V22R,FS-V21RP,FS-V22RP。
（4）超大功率光纤FS-V30传感器：世界上极强的光束(光束强度是传统型号的64倍，全球
最快的响应速度33μs，世界首家具备预设值自动跟踪功能，世界第一个能量增幅器开关，
终其一生的稳定检测。型号有：FS-V31，FS-V32，FS-V33，FS-V31M,FS-V31P,FS-V32P。
（5）FU系列光纤：坚固的不锈钢外壳，宽范围检测，六角形光纤感测头易于安装，耐热，
小光束点，细套管透过型。型号：FU-10，FU-11，FU-12，FU-13，FU-15，FU-16等。
4. 光纤传感器在测井上的研究 ：光纤传感器在地球物理测井领域取得了长足的进步，全世
界各大石油生产公司、测井服务公司以及各种光纤传感器研发机构和企业都参加了研究、开
发过程。为了开拓光纤传感器的应用领域，本文综述了光纤传感器在地球物理测井领域的研
究与进展，希望其研究能够对进一步提高石油开发的水平作出贡献。 1、储层参数监测 :（1） 压
力监测 :井下光纤传感器没有井下电子线路、易于安装、体积小、抗干扰能力强等优点，而
这些正是井下监测所必需的。 目前，CIDRA公司的光纤压力传感器的指标为：测程 0～
103MPa，过压极限129MPa，准确度±41.3kPa，分辨率2.06kPa，长期稳定性±34.5kPa/yr（连
续保持150oC），工作温度范围25 oC ～175 oC。1999年该公司在加利福尼亚的Baker油田
进行了压力监测系统的试验，结果表明该系统具有非常高的精度，目前已经交付商业销售。
2001年该公司的压力传感器在英国BP公司的几口井下安装，监测应力变化，结果表明其具
有足够的可靠性。（2） 温度监测 ：分布式光纤温度传感器具有通过沿整个完井长度连续性
采集温度资料来提供一条监测生产和油层的新途径的潜力。光纤分布式温度传感器的优势在
于光纤无须在检测区域内来回移动，能保证井内的温度平衡状态不受影响。而且由于光纤被
置于毛细钢管内，因此凡毛细钢管能通达的地方都可进行光纤分布式温度传感器测试。分布
式温度传感器要综合考虑测量的点数和连接器衰减，遇到的问题和解决方法为： a. 光纤以
及连接器对信号的衰减问题，解决的方法为尽量减少连接器的数目、采用布喇格光纤光栅传
感器以及改进连接器的性能； b. 井下安装时容易损坏，解决的方法为配备熟练工人、光纤
传感器需要外部保护层、减小应力（包括射孔和温度引起的应力）。（3） 多相流监测 ：光纤
测量多相流有两种方法，第一种是美国斯伦贝谢公司的持气率光纤传感仪，该仪器能直接测
量多相流中持气率。 第二种是通过测量声速来确定两相混合流的相组分，因为混合流体的
声速与各单相流体的声速和密度具有相关性，而这个相关性普遍存在于两相气/液和液 /液混
合流体系统中，同时也适用于多相混合流系统。根据混合流体的声速确定各相流体的体积分数，就是测量流过流量计的各单相体积分数（即持率测量）。 结语：随着现代科学技术的发展, 信息的获得显得越来越重要。传感器正是感知、检测、监
控和转换信息的重要技术手段。光纤传感器是继光学、电子学为一体的新型传感器, 与以往
的传感器不同, 它将被测信号的状态以光信号的形式取出。光信号不仅能被人所直接感知,
利用半导体二极管如光电二极管等小型简单元件还可以进行光电、电光转换, 极易一些电子
装配相匹配。近年来光纤传感器得到了越来越广泛的应用，相信在不久的将来即将迎来传感
器的大爆发。
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