通過光導纖維把輸入變量轉換成調(diào)制的光信號的傳感器。光纖傳感器的測量原理有兩種：一種是被測參數(shù)引起光導纖維本身傳輸特性變化，即改變光導纖維環(huán)境如應 變、壓力、溫度等，從而改變光導纖維中光傳播的相位和強度，這時測量通過光導纖維的光相位或光強度變化，就可知道被測參數(shù)的變化；另一種是以激光器或發(fā)光 二極管為光源，用光導纖維作為光傳輸通道，把光信號載送入或載送出敏感元件，再與其他相應敏感元件配合而構成傳感器。前者屬于物性型傳感器，后者屬于結構 型傳感器。這兩種傳感器在自動測量系統(tǒng)中都有應用。

光纖傳感器是以光學量轉換為基礎，以光信號為變換和傳輸?shù)妮d體，利用光導纖維輸送光信號的一種傳感器。光纖傳感器主要由光源、光導纖維(簡稱光纖)、光檢測器和附加裝置等組成。光源種類很多，常用光源有鎢絲燈、激光器和發(fā)光二極管等。 光纖很細、較柔軟、可彎曲，是一種透明的能導光的纖維。光纖之所以能進行光信息的傳輸，是因為利用了光學上的全反射原理，即入射角大于全反射的臨界角的光 都能在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射，反射光仍以同樣的角度向對面的界面入射，這樣，光將在光纖的界面之間反復地發(fā)生全反射而進行傳輸。附加裝置主要是一 些機械部件，它隨被測參數(shù)的種類和測量方法而變化。

光纖傳感器廣泛應用于生物物理領域，可進行多種檢測，例如光纖DNA生物傳感器，目的DNA的堿基轉變?yōu)榭蓹z測的光信號，是近年發(fā)展起來的基因快速檢測新技術，光纖生物傳感器還可用于各種毒素檢測，抗原抗體相互作用檢測等，是生物物理技術發(fā)展的一個重要領域。

傳感器在朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、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(qū)），或者對人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），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。

光纖傳感器是新技術，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(xiàn)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(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。目前光纖傳感器已經(jīng)有70多種，大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。

所謂光纖自身的傳感器，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(nèi)傳輸?shù)墓庠谡穹⑾辔?、頻率、偏振等方面發(fā)生變化。測量臂傳輸?shù)墓馀c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(fā)生變化，根據(jù)這個變化就可檢測出被測量的變化。光纖中傳輸?shù)南辔皇芡饨缬绊懙撵`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 纖聲傳感器就是一種利用光纖自身的傳感器。當光纖受到一點很微小的外力作用時，就會產(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力發(fā)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并產(chǎn)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傳感器的一種，與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本 低，可以用于飛機、艦船、導彈等的高性能慣性導航系統(tǒng)。如圖就是光纖傳感器渦輪流量計的原理。

近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳 感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、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(qū)），或者對人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），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。

光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導致光的光學性質（如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。

光纖傳感器的特點有：

(1)探測和傳輸?shù)墓庑盘柌皇芪⒉ê碗姶挪ǖ母蓴_，它可置于高溫、高壓、強電磁場、易燃、易爆和強放射性環(huán)境中?？蓪崿F(xiàn)遠距離監(jiān)測。目前已研制出幾千米長的光纖熒光測量裝置。

(2)光纖本身絕緣，且光纖及其探頭可做得很小而且柔軟，可直接插入活體組織內(nèi)，并能作長時間監(jiān)測，如監(jiān)測血液、細胞等。

(3)應用多波長和時間分辨技術，能制造出同時對兩種或兩種以上組分響應的光纖傳感器，實現(xiàn)多組分同時測定。

(4)光度分析中的顯色劑、熒光試劑、化學發(fā)光試劑、固定化酶等都可作為光纖傳感器的固定試劑相，試劑相也可固定在適當基底上，不與光纖端直接接觸，便于更換。

(5)屬于非破壞性分析，不會引起試液變化。

光纖傳感器存在的問題：

(1)環(huán)境中的光線對測量產(chǎn)生干擾，樣品測試需在暗處進行；

(2)光在光纖中的傳播會產(chǎn)生強度損失；

(3)試劑相穩(wěn)定時間不夠長，動態(tài)范圍窄。

光纖傳感器通過光導纖維把輸入變量轉換成調(diào)制的光信號。光纖傳感器的測量原理有兩種：

（1）物性型光纖傳感器原理，物性型光纖傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號。其工作原理基于光纖的光調(diào)制效應，即光纖在外界環(huán)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(fā)生變化的現(xiàn)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。這類傳感器又被稱為敏感元件型或功能型光纖傳感器。激光器的點光源光束擴散為 平行波，經(jīng)分光器分為兩路，一為基準光路，另一為測量光路。外界參數(shù)(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(chǎn)生不同數(shù)量的干 涉條紋，對它的模向移動進行計數(shù)，就可測量溫度或壓等。
（2）結構型光纖傳感器原理，結構型光纖傳感器是由光檢測元件(敏感元件)與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。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傳感器。

光纖傳感器一般由光源、光纖和光探測器三部分組成，如圖所示。圖(a)為功能型(也稱傳感型)傳感器，它是利用光纖本身的某種敏感特性或功能制成的傳感 器，圖(b)和圖(c)為非功能型(也稱傳光型)傳感器，由于光纖只起傳輸光波的作用，必須在光纖端面或中間加裝其他敏感元件才能構成傳感器。在圖(b) 中，將敏感元件置于入射與接收光纖中間，在被測對象的作用下，或使敏感元件遮斷光路，或使敏感元件的光透射率發(fā)生變化，這樣，光探測器所接收的光量便成為 被測對象調(diào)制后的信號；在圖(c)中，光纖一端設置“敏感元件+發(fā)光元件”的組合部件，敏感元件受被測對象的作用并將其變換為電信號后作用于發(fā)光元件，而發(fā)光元件的發(fā)光強度作為測量所得的信息。

分類

① 傳光型光纖傳感器 以多模光導纖維來傳輸光信號，根據(jù)光接受強度不同進行測量，而對被測參數(shù)起檢測作用的是其他敏感元件。這種傳感器多用于工業(yè)檢測液位、壓力、形變、溫度、 流速、電流、磁場等。它的優(yōu)點是性能穩(wěn)定可靠，結構簡單，造價低廉，缺點是靈敏度低。圖1[ 光纖液位傳感器]為光纖液位傳感器的原理示意圖。

② 光強調(diào)制型光纖傳感器 在壓力作用下光纖產(chǎn)生微彎變形導致光強度變化，從而引起光纖傳輸損耗的改變，并由吸收、發(fā)射或折射率變化來調(diào)制發(fā)射光，可制成微彎效應的光纖壓力傳感器（圖2[ 微彎效應光纖壓力傳感器]）。由于齒板的作用，在沿光纖光軸的垂直方向上加有壓力時，光纖產(chǎn)生微彎變形，光波導方式改變，傳輸損耗增加。這種傳感器具有較高的靈敏度。此外，利用光學編碼盤配合光纖可制成數(shù)字式光纖壓力傳感器。

③ 偏振調(diào)制型光纖傳感器 單模光導纖維的偏振特性極易受到外界各種物理量的影響，如在高電場下的克爾效應和在強磁場下的法拉第效應，利用這一原理可制成大電流、高電壓測試傳感器（圖3[ 偏振光面變化檢測原理圖]）

④ 相位調(diào)制型光纖傳感器 用單模光導纖維構成干涉儀，外界各種物理量的影響因素能導致光導纖維中光程的變化，從而引起干涉條紋的變動。圖4[ 干涉儀式光纖溫度傳感器]

光纖傳感器的優(yōu)點是與傳統(tǒng)的各類傳感器相比，光纖傳感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(yōu)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(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控，耐腐蝕，防爆，光路有可撓曲性，便于與計算機聯(lián) 接。

其次是結構型光纖傳感器原理，結構型光纖傳感器是由光檢測元件(敏感元件)與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質，只負責對事物進行傳遞，也稱之為傳光型或非功能型光纖傳感器。

光纖傳感器結構簡單，精美大方，體積小，重量輕，耗電少等。光纖傳感器在軍事方面、航空方面、醫(yī)學方面、環(huán)境監(jiān)測方面、土木工程方面、電子系統(tǒng)方面等 很多領域都有廣泛的應用，尤其適用于以下特殊環(huán)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(huán)境惡劣條件下能克服各種條件的測試，在機器設備內(nèi)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，光纖傳感器的分類和可測 量的物理量，還有按照所利用的不同的光學現(xiàn)象，光纖傳感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(diào)制等方式實現(xiàn)對不同物理量的測量。

光纖傳感器是近幾年出現(xiàn)的新技術，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(xiàn)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(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。目前光纖傳感器已經(jīng)有70多種，大致上分成光纖自身傳感器和利 用光纖的傳感器。

所謂光纖自身的傳感器，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(nèi)傳輸?shù)墓庠谡穹?、相位、頻率、偏振等方面發(fā)生變化。測量臂傳輸?shù)墓馀c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(fā)生變化，根據(jù)這個變化就可檢測出被測量的變化。光纖中傳輸?shù)南辔皇芡饨缬绊懙撵`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。

光纖聲傳感器就是一種利用光纖自身的傳感器。當光纖受到一點很微小的外力作用時，就會產(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力發(fā)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并產(chǎn)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傳感器的一種，與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本低，可以用于飛機、艦船、導彈等的高性能慣性導航系統(tǒng)。如圖就是光纖傳感器渦輪流量計的原理。

光纖傳感器流量計原理如下：

另 外一個大類的光纖傳感器是利用光纖的傳感器。其結構大致如下：傳感器位于光纖端部，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。在這種傳感器系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的傳感器和光纖相結合。光纖的導入使得實現(xiàn)探針化的遙測提供了可能性。這種光纖傳輸?shù)膫鞲衅鬟m用范圍廣，使用簡便，但是 精度比第一類傳感器稍低。

光纖在傳感器家族中是后起之秀，它憑借著光纖的優(yōu)異性能而得到廣泛的應用，是在生產(chǎn)實踐中值得注意的一種傳感器。

光纖傳感器憑借著其大量的優(yōu)點已經(jīng)成為傳感器家族的后起之秀，并且在各種不同的測量中發(fā)揮著自己獨到的作用，成為傳感器家族中不可缺少的一員。

另外一個大類的光纖傳感器是利用光纖的傳感器。其結構大致如下：傳感器位于光纖端部，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。在這種傳感器系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的傳感器和光纖相結合。光纖的導入使得實現(xiàn)探針化的遙測提供了可能性。這種光纖傳輸?shù)膫鞲衅鬟m用范圍廣，使用簡 便，但是精度比第一類傳感器稍低。

光纖在傳感器家族中是后起之秀，它憑借著光纖的優(yōu)異性能而得到廣泛的應用，是在生產(chǎn)實踐中值得注意的一種傳感器。

光纖傳感器憑借著其大量的優(yōu)點已經(jīng)成為傳感器家族的后起之秀，并且在各種不同的測量中發(fā)揮著自己獨到的作用，成為傳感器家族中不可缺少的一員。

 

熒光光纖傳感器

與化學傳感器不同，光纖生物傳感器主要是利用熒光免疫競爭原理實現(xiàn)對分析物的檢測。Shriver-Lake等人發(fā)展了一種適合于多目標檢測的熒光光纖 傳感器，采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，熒光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(shù)。需要指出的是，雖然熒光光纖生物傳感器具有靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點，但使用穩(wěn)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(xiàn)，爆炸物的熒光檢測方法也在不斷發(fā)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 分子固定于微球表面，制成了可對硝基芳烴類炸藥實現(xiàn)靈敏檢測的功能熒光微球材料，并形象地稱其為“智能砂子”。針對共軛熒光高分子薄膜熒光傳感器的局限 性，提出了以固定化多環(huán)芳烴的超分子行為為基礎的傳感薄膜材料設計新思想，制備了十余種新型傳感薄膜材料，已實現(xiàn)了對有機二酸等的選擇性檢測。實驗發(fā)現(xiàn)， 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(xiàn)出很好的應用開發(fā)前景?？梢灶A期，薄膜 熒光傳感器所具有的巨大優(yōu)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。