OFS

OFS（Optical Fiber Sensor ）：光纖感測器

感測器在朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發展。在這一過程中，光纖感測器這個感測器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，精細、質軟、重量輕的機械性能；絕緣、無感應的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等，它能夠在人達不到的地方（如高溫區），或者對人有害的地區（如核輻射區），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

光纖感測器是新技術，可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現有測量技術難以完成的測量任務。在狹小的空間里，在強電磁干擾和高電壓的環境里，光纖感測器都顯示出了獨特的能力。目前光纖感測器已經有70多種，大致上分成光纖自身感測器和利用光纖的感測器。

所謂光纖自身的感測器，就是光纖自身直接接收外界的被測量。外接的被測量物理量能夠引起測量臂的長度、折射率、直徑的變化，從而使得光纖內傳輸的光在振幅、相位、頻率、偏振等方面發生變化。測量臂傳輸的光與參考臂的參考光互相干涉（比較），使輸出的光的相位(或振幅)發生變化，根據這個變化就可檢測出被測量的變化。光纖中傳輸的相位受外界影響的靈敏度很高，利用干涉技術能夠檢測出10的負4次方弧度的微小相位變化所對應的物理量。利用光纖的繞性和低損耗，能夠將很長的光纖盤成直徑很小的光纖圈，以增加利用長度，獲得更高的靈敏度。

光纖聲感測器就是一種利用光纖自身的感測器。當光纖受到一點很微小的外力作用時，就會產生微彎曲，而其傳光能力發生很大的變化。聲音是一種機械波，它對光纖的作用就是使光纖受力併產生彎曲，通過彎曲就能夠得到聲音的強弱。光纖陀螺也是光纖自身感測器的一種，與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本低，可以用於飛機、艦船、導彈等的高性能慣性導航系統。如圖就是光纖感測器渦輪流量計的原理。

光纖感測器通過光導纖維把輸入變數轉換成調製的光信號。光纖感測器的測量原理有兩種：

（1）物性型光纖感測器原理，物性型光纖感測器是利用光纖對環境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調製的光信號。其工作原理基於光纖的光調製效應，即光纖在外界環境因素，如溫度、壓力、電場、磁場等等改變時，其傳光特性，如相位與光強，會發生變化的現象。

因此，如果能測出通過光纖的光相位、光強變化，就可以知道被測物理量的變化。這類感測器又被稱為敏感元件型或功能型光纖感測器。激光器的點光源光束擴散為平行波，經分光器分為兩路，一為基準光路，另一為測量光路。外界參數(溫度、壓力、振動等)引起光纖長度的變化和相位的光相位變化，從而產生不同數量的干涉條紋，對它的模向移動進行計數，就可測量溫度或壓等。

（2）結構型光纖感測器原理，結構型光纖感測器是由光檢測元件(敏感元件)與光纖傳輸迴路及測量電路所組成的測量系統。其中光纖僅作為光的傳播媒質，所以又稱為傳光型或非功能型光纖感測器。

光纖感測器的優點是與傳統的各類感測器相比，光纖感測器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質，具有光纖及光學測量的特點，有一系列獨特的優點。電絕緣性能好，抗電磁干擾能力強，非侵入性，高靈敏度，容易實現對被測信號的遠距離監控，耐腐蝕，防爆，光路有可撓曲性，便於與計算機聯接。

光纖感測器結構簡單，精美大方，體積小，重量輕，耗電少等。光纖感測器在軍事方面、航空方面、醫學方面、環境監測方面、土木工程方面、電子系統方面等很多領域都有廣泛的應用，尤其適用於以下特殊環境，這就使得很多之前不能解決的問題，都能得到很好的解決：在高壓、電磁感應噪音條件下進行精準的測試，在危險和環境惡劣條件下能克服各種條件的測試，在機器設備內部的狹小間隙中也能輕快的測試，在遠距離的傳輸中依然能收到信號的測試，光纖感測器的分類和可測量的物理量，還有按照所利用的不同的光學現象，光纖感測器還可以分為干涉型和非干涉型，可通過相位，頻率，強度和偏振調製等方式實現對不同物理量的測量。

另外一個大類的光纖感測器是利用光纖的感測器。其結構大致如下：感測器位於光纖端部，光纖只是光的傳輸線，將被測量的物理量變換成為光的振幅，相位或者振幅的變化。在這種感測器系統中，傳統的感測器和光纖相結合。光纖的導入使得實現探針化的遙測提供了可能性。這種光纖傳輸的感測器適用範圍廣，使用簡便，但是精度比第一類感測器稍低。

光纖在感測器家族中是後起之秀，它憑藉著光纖的優異性能而得到廣泛的應用，是在生產實踐中值得注意的一種感測器。

光纖感測器憑藉著其大量的優點已經成為感測器家族的後起之秀，並且在各種不同的測量中發揮著自己獨到的作用，成為感測器家族中不可缺少的一員。

與化學感測器不同，光纖生物感測器主要是利用熒光免疫競爭原理實現對分析物的檢測。Shriver-Lake等人發展了一種適合於多目標檢測的熒光光纖感測器，採用免疫競爭方法可同時檢測TNT和RDX(三次甲基三硝基胺)兩種爆炸物。他們將抗體固定在光纖表面，熒游標記抗原與自由抗原在光纖表面進行免疫競爭，通過檢測熒光強度的變化，可定量檢測爆炸物的體積分數。需要指出的是，雖然熒光光纖生物感測器具有靈敏度高、選擇性好等優點，但使用穩定性差是其難以克服的缺陷。隨著新的熒光敏感材料的出現，爆炸物的熒光檢測方法也在不斷發展。Swager小組利用微納米顆粒材料比表面大的特點，利用層層組裝技術將共軛熒光高分子固定於微球表面，製成了可對硝基芳烴類炸藥實現靈敏檢測的功能熒光微球材料，並形象地稱其為“智能砂子”。針對共軛熒光高分子薄膜熒光感測器的局限性，提出了以固定化多環芳烴的超分子行為為基礎的感測薄膜材料設計新思想，製備了十餘種新型感測薄膜材料，已實現了對有機二酸等的選擇性檢測。實驗發現，在這些薄膜中，芘功能化薄膜對空氣中硝基芳烴類化合物的存在十分敏感，其靈敏度可與共軛熒光高分子薄膜相媲美，展現出很好的應用開發前景。可以預期，薄膜熒光感測器所具有的巨大優勢必將使其在硝基芳烴類炸藥的超靈敏快速檢測方面獲得際應用。